発電装置
【課題】筋力補助装置に設けられる発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置30は、装置装着者の動作に応じて補助筋力を発生するアクチュエータと、同アクチュエータの動力源となる二次電池10が収容されたバックパック20とを備える筋力補助装置に設けられる。発電装置30は、二次電池10を揺動可能に支持するばね25と、二次電池10の揺動を利用して発電を行う発電部31とをバックパック20内に備える。
【解決手段】発電装置30は、装置装着者の動作に応じて補助筋力を発生するアクチュエータと、同アクチュエータの動力源となる二次電池10が収容されたバックパック20とを備える筋力補助装置に設けられる。発電装置30は、二次電池10を揺動可能に支持するばね25と、二次電池10の揺動を利用して発電を行う発電部31とをバックパック20内に備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、装着者の動作に応じて補助筋力を発生することにより動作を補助する筋力補助装置に設けられる発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、社会が急速に高齢化し、多くの都市や地域で人口全体に占める高齢者の割合が増えてきている。人は年齢を経ると筋力が低下する傾向にあることから、高齢化した際には動作が鈍くなったり、或いは重量の重いものが持てなくなったりする等の不便さが生じる。よって、この不便さを解消する一技術として、高齢者が腕や脚を動かして行う各種動作を補助する筋力補助装置が開発されている(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開2007−97636号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ところで、筋力補助装置は、装着者の動作に応じて補助筋力を発生する駆動装置と、同駆動装置の動力源となる二次電池が収容されたバックパックとを備えている。同二次電池は、現状では一重量当たりの充電量が少なく、長時間駆動することができない。そこで、この問題の解決策の一つとして発電装置を設けることが考えられるが、筋力補助装置に設けられる発電装置は発明されていない。そのため、筋力補助装置に設けられる発電装置が求められていた。
【0004】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、筋力補助装置に設けられる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項1に記載の発明は、装着者の動作に応じて補助筋力を発生する駆動装置と、同駆動装置の動力源となる二次電池が収容されたバックパックとを備える筋力補助装置に設けられる発電装置であって、前記二次電池を揺動可能に支持する揺動支持手段と、前記二次電池の揺動を利用して発電を行う発電部とが前記バックパック内に備えられることをその要旨としている。
【0006】
同構成によれば、二次電池を揺動可能に支持する揺動支持手段と、二次電池の揺動を利用して発電を行う発電部とを備えた発電装置が筋力補助装置のバックパック内に備えられる。このため、筋力補助装置を装着した装着者の動作にともなって二次電池はその自重によりバックパック内において揺動支持手段に支持されながら上下や左右等へ揺動する。そして、発電部は二次電池の揺動を利用して発電を行う。したがって、発電部において発電された電力を二次電池に充電したり、駆動装置へ供給したりすれば、筋力補助装置の駆動時間を従来よりも長くすることができるようになる。
【0007】
また、発電を行うために自重により揺動するように二次電池10支持したため、揺動する部材を新たに設ける必要がなく、二次電池10の重量を有効に利用することができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発電装置において、前記発電部は、外力を受けて変形することにより電力が発生する圧電素子を備え、同圧電素子は、前記二次電池の揺動によって外力が付与されるように配置されることをその要旨としている。
【0008】
同構成によれば、発電部は二次電池の揺動によって外力が付与されて、変形されることにより電力が発生する圧電素子を備えるため、二次電池がその自重により揺動することを利用して、圧電素子に外力を付与させて発電することができる。
【0009】
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発電装置において、前記発電部は、コイルと同コイルと相対変位可能に配置される磁石とを備え、前記二次電池の揺動によって同コイルと同磁石とを相対変位させることにより電力が発生することをその要旨としている。
【0010】
同構成によれば、発電部はコイルと磁石とを備え、二次電池の揺動によってコイルと磁石とを相対変位させるとコイルを貫く磁束が変化することによりコイルに電力が発生するため、二次電池がその自重により揺動することを利用して、コイルと磁石とを相対変位させて発電することができる。
【0011】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発電装置において、前記揺動支持手段は、前記二次電池と前記バックパックの内壁との間に配置されるばねであることをその要旨としている。
【0012】
同構成によれば、揺動支持手段は二次電池とバックパックの内壁との間に配置されるばねであるため、バックパック内において二次電池をばねによって揺動支持することができる。このため、簡易な構成で二次電池を揺動可能にするとともに、支持することができる。
【0013】
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の発電装置において、前記発電部は前記二次電池の上部及び下部の少なくとも一方に配置されることをその要旨としている。
【0014】
同構成によれば、発電部は二次電池の上部及び下部の少なくとも一方に配置されるため、発電部が二次電池の上下方向の揺動による発電を効率良く行うことができる。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の発電装置において、前記発電部で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられることをその要旨としている。
【0015】
同構成によれば、発電部で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられるため、駆動装置の駆動源となる二次電池と役割を分けることで、例えば補助二次電池を非常電源用として、二次電池が使えなくなった非常時に退避動作のみを行うようにすることができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、筋力補助装置に設けられる発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明の一実施形態について図1〜図7を参照して説明する。
図1(a)に示されるように、人体(以下、装置装着者と記す)1の身体には、装置装着者1が腕や脚等を動かして動作する際に装置装着者1に補助筋力を付与してこの動作を補助する筋力補助装置2が装着されている。図2に示されるように、この筋力補助装置2は、装置装着者1の動作意志を生体信号検出部3にて検出し、同生体信号検出部3の検出結果に基づき同筋力補助装置2の駆動源となる複数のアクチュエータ4を同動作意志に沿って駆動することで、装置装着者1にその動作意志に沿った補助筋力を付与する。筋力補助装置2は、高齢者が日常生活の際に支障を感じ難いレベルまで筋力を復元するリハビリテーション機能の役割や、装置装着者1が重いものを持ち上げる際にその時の力を増強するオーギュメンテーション機能の役割を果たす装置として使用される。
【0018】
生体信号検出部3は、装置装着者1が腕や脚等を動作させる際にその動作意志が反映されて人体内に発生する生体信号を読み取る検出系であって、例えば筋肉の動きを読み取る筋電センサ等が使用されている。この種の筋電センサは、装置装着者1が腕や脚等を動作させた際に筋肉に発生する微弱な電気を検出するものであって、例えば力の強さ、運動状態、柔らかさ、しなやかさに応じた検出信号(電気信号)Sを出力する。生体信号検出部3は、腕や脚等において筋肉が位置する複数箇所に設けられ、筋力補助装置2に電源が投入されると起動して、装置装着者1の動作意志として生体信号を検出する度に検出信号Sを出力する。
【0019】
図1(a)に示されるように、アクチュエータ4は、例えば複数のモータからなり、装置装着者1の腕や脚等の各部位を支持するフレーム5の各々の接続箇所に配置されている。即ち、アクチュエータ4は、装置装着者1の関節箇所に対応する位置に配置されている。アクチュエータ4も、筋力補助装置2に電源が投入されると起動を開始し、生体信号検出部3で読み取られた装置装着者1の動作意志に基づく駆動状態で駆動する。
【0020】
図1(b)に示されるように、装置装着者1の背中には、筋力補助装置2のコントロールユニットとしてECU6と、筋力補助装置2の電源となる直方体状の二次電池10と、同二次電池10の揺動を利用して発電を行う発電装置30とが収容されたバックパック20が装着されている。
【0021】
図2に示されるように、ECU6は、例えばCPU7やメモリ8等の素子群からなるとともに、入力側が生体信号検出部3に接続され、出力側がアクチュエータ4に接続されている。ECU6は、補助筋力発生処理を統括制御するものであって、生体信号検出部3から取得する検出信号Sに基づき装置装着者1の動作意志を監視し、動作意志があった際にはこの意志に沿った駆動状態となるようにアクチュエータ4を駆動制御することにより、装置装着者1に補助筋力を付与する。
【0022】
メモリ8には、筋力補助装置2のメインプログラムデータとして制御プログラムPmaが格納されている。本例の制御プログラムPmaは、生体信号検出部3を通じて装置装着者1の動作意志を検出した際、この時に装置装着者1が発生し得る人体発生筋力よりも大きな動作力を発生できるように、人体発生筋力の大きさ(動作意志の大小)に応じて付与すべき補助筋力を求め、この求められた補助筋力が装置装着者1の身体に付与されるようにアクチュエータ4を駆動制御する前記補助筋力発生処理をCPU7に実行させるためのものである。CPU7は、メモリ8内の制御プログラムPmaに従って動作することにより、補助筋力発生処理を実行する。
【0023】
二次電池10は、各アクチュエータ4に図示しないケーブルを介して接続され、各アクチュエータ4へ電力を供給する。二次電池10は、筋力補助装置2が装置装着者1に装着されていないときには図示しない外部電源に接続されて、同外部電源から充電されるとともに、筋力補助装置2が装置装着者1に装着されているときには発電装置30において発電された電力が蓄えられる。
【0024】
発電装置30は、同二次電池10をバックパック20の内部において揺動可能に支持する揺動支持手段としてのばね25と、二次電池10の揺動によって発電を行う発電部31とを備えている。
【0025】
次に、前述したECU6、二次電池10、及び発電装置30のバックパック20への収容状態について図3及び図4を参照して説明する。
図3に示されるように、ECU6は、バックパック20の上部に区画形成された制御収納室21に収納されている。二次電池10は、ばね25により上下へ揺動可能に支持された状態で、バックパック20の制御収納室21の下方に区画形成された電池収納室22に収納されている。ばね25は、電池収納室22の頂面及び底面と二次電池10の上面及び下面との間にそれぞれ2つずつ固定されている。これらばね25により、二次電池10は、電池収納室22の上下方向における中央である中立位置に保持されている。ばね25は、二次電池10が装置装着者1の動作によって電池収納室22の頂面若しくは底面から離間する側、又は近接する側へ変位すると、二次電池10を前記中立位置に戻す復元力が働くようになっている。
【0026】
図4に示されるように、バックパック20の電池収納室22は、二次電池10の外形に対応する直方体状をなし、側面の各角には、上下方向へ延出するとともに、横断面L字状のレール23がそれぞれ配置固定されている。レール23の上下へ延びる2つの内側縁には、突出部23aがレール23の全長に亘って形成されている。これら突条部23aは二次電池10の各側面にその全長に亘って形成された溝11に係合されている。これにより、二次電池10は、装置装着者1が動作すると、レール23に誘導されて上下方向へ変位するようになっている。
【0027】
図5に示されるように、発電部31は、電池収納室22の頂面及び底面の中央にそれぞれ設けられている。発電部31は、2枚の板状の圧電セラミックス32が貼り合わされてなるバイモルフ型の圧電素子33を備えている。圧電セラミックス32に設けられた電極34は整流器35を介して二次電池10に接続されている。ここで、二次電池10の上面及び下面の圧電素子33と対向する部分には、半球状の凸部12がそれぞれ形成されている。図6に示されるように、二次電池10が上下方向へ揺動し、電池収納室22の頂面又は底面に接近すると、凸部12により圧電素子33が押圧され、両圧電セラミックス32が変形する。すると、これらの間に起電力が発生し、この起電力により生じる電流は、整流器35によって整流されて二次電池10に供給される。
【0028】
次に、前記のように構成された筋力補助装置2の発電部31の動作態様について説明する。
筋力補助装置2の二次電池10は、筋力補助装置2が装着されていないときに外部電源に接続して充電可能となっている。筋力補助装置2が装着されて、電源が投入された状態で装置装着者1が何らかの動作を行うと、この動作に応じてアクチュエータ4が駆動する。各アクチュエータ4が二次電池10から供給される電力により駆動することから二次電池10の電力は経時的に減っていくこととなる。
【0029】
この点、本実施例では、装置装着者1の動作に応じて発電部31で発電される電力を二次電池10へ供給して充電することにより、二次電池10の消耗を抑制している。すなわち、図7(a)及び(b)に示されるように、筋力補助装置2を装着した装置装着者1が例えば、歩行すると、バックパック20内の二次電池10がばね25の弾性力に抗してレール23に沿って上下へ揺動し、これに伴い二次電池10には中立位置へ戻ろうとする復元力、すなわち変位方向と反対方向への付勢力がばね25を通じて付与される。よって、装置装着者1が歩行している間は、二次電池10の上下への揺動が繰り返されることとなる。二次電池10が電池収納室22の頂面又は底面に近接すると、二次電池10の凸部12により圧電素子33が押圧されて、圧電セラミックス32が変形する。すると、2つの圧電セラミックス32の電極34間に起電力が発生し、この起電力により発生した電流が整流器35によって整流されて二次電池10に供給される。
【0030】
このように、筋力補助装置2の使用に伴い、二次電池10の電力が消費される一方で、発電部31において発電される電力が二次電池に供給される。したがって、二次電池10の消耗が抑制され、筋力補助装置2の駆動時間を従来よりも長くすることができるようになる。
【0031】
以上、説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
(1)二次電池10を揺動可能に支持するばね25と、二次電池10の揺動を利用して発電を行う発電部31とを備えた発電装置30が筋力補助装置2のバックパック20内に備えられる。このため、装置装着者1の動作にともなって二次電池10はその自重によりバックパック20内においてばね25に支持されながら上下へ揺動する。そして、発電部31は二次電池10の揺動を利用して発電を行う。したがって、発電部31において発電された電力を二次電池10に充電することにより、筋力補助装置2の駆動時間を従来よりも長くすることができる。
【0032】
また、発電を行うために自重により揺動するように二次電池10支持したため、揺動する部材を新たに設ける必要がなく、二次電池10の重量を有効に利用することができる。
(2)発電部31は二次電池10の揺動によって外力が付与されて、変形されることにより電力が発生する圧電素子33を備えるため、二次電池10の自重により二次電池10が揺動することを利用して、圧電素子33に外力を付与させて発電することができる。
【0033】
(3)バックパック20内において二次電池10をばね25によって揺動可能に支持するため、簡易な構成である。
(4)発電部31は二次電池10の上部及び下部に配置されるため、発電部31が二次電池10の上下方向の揺動による発電を効率良く行うことができる。
【0034】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記実施形態では、2枚の圧電セラミックス32を貼り合わせたバイモルフ型の圧電素子33に限らず、3枚以上の圧電セラミックス32を積層型等の他の圧電素子としてもよい。
【0035】
・上記実施形態では、二次電池10の上部及び下部に凸部12を1つずつ形成したが、二次電池10の上部及び下部に凸部12を複数形成するようにしてもよい。
・上記実施形態では、二次電池10の凸部12によって圧電素子33を変形させて発電する発電部31としたが、コイルと同コイルと相対変位可能に配置される磁石とを備えた発電部に変更してもよい。詳しくは、図8に示されるように、発電部41は、両端部に電極44が設けられたコイル42と、同コイル42と相対変位可能に配置される棒状の磁石13と、両電極44に接続された整流器35とを備えている。コイル42は、電池収納室22の頂面又は底面に固定されている。磁石13は、コイル42内に挿通されている。そして、二次電池10の揺動によってコイル42と磁石13とが相対変位するとコイル42を貫く磁束が変化することによりコイル42に起電力が発生する。このため、二次電池10の自重により二次電池10が揺動することを利用して、コイル42と磁石13とを相対変位させて発電することができる。なお、磁石13は、磁石13が相対変位することによりコイル42に起電力が発生すれば、コイル42の外に配置してもよい。
【0036】
・上記実施形態において、発電部31,41の電力を発生する圧電素子33やコイル42をバックパック20側に設けるとともに、凸部12や磁石13を二次電池10側に設けるようにした。しかしながら、圧電素子33やコイル42を二次電池10側に設けるとともに、凸部12や磁石13をバックパック20側に設けるようにしてもよい。
【0037】
・上記実施形態では、整流器35,45をバックパック20に設けるようにしたが、整流器35,45を二次電池10に設け、圧電素子33やコイル42からバックパック20を経由せずに接続するようにしてもよい。このようにすれば、バックパック20を経由せずに発電部31,41で発電された電力を二次電池10に直接蓄えることができる。
【0038】
・上記実施形態において、発電部31,41は、必ずしも二次電池10の上下方向への揺動に限らず、左右方向や前後方向への揺動によって発電できるように、左右方向又は前後方向の電池収納室22の側面と二次電池10の側面との間に二次電池10を挟んで両側にそれぞれ設けるようにしてもよい。
【0039】
・上記実施形態では、発電部31,41を二次電池10の上下方向、左右方向、及び前後方向のいずれかの揺動によって発電できるように二次電池10を挟んで両側にそれぞれ設けるようにした。しかしながら、発電部31,41を二次電池10の片側に設けるようにしてもよい。
【0040】
・上記実施形態では、発電部31,41を二次電池10の上下方向、左右方向、及び前後方向のいずれかの揺動によって発電できるように二次電池10を挟んで両側に1つずつ配置するようにした。しかしながら、発電部31,41を二次電池10の上下方向、左右方向、及び前後方向のいずれかの揺動によって発電できるように二次電池10を挟んで両側にそれぞれ複数配置するようにしてもよい。このようにすれば、発電装置での発電量を増加させることができる。
【0041】
・上記実施形態では、発電部31で発電された電力は二次電池10に蓄えられるようにしたが、二次電池10に充電せず、直接アクチュエータ4に電力を供給するようにしてもよい。
【0042】
・上記実施形態では、発電部31,41で発電された電力を二次電池10に蓄えるようにしたが、発電部31,41で発電された電力を蓄える補助二次電池を設けるようにしてもよい。このようにすれば、発電部31,41で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられるため、アクチュエータ4の駆動源となる二次電池10と役割を分けることで、例えば補助二次電池を非常電源用として、二次電池10が使えなくなった非常時に退避動作のみを行うようにすることができる。
【0043】
・上記実施形態にいて、揺動支持部材は、必ずしもばね25に限らず、例えばゴム等を採用してもよい。
・上記実施形態において、アクチュエータ4は、必ずしもモータに限らず、例えば空圧シリンダ、油圧シリンダ等を採用してもよい。
【0044】
・上記構成において、レール23を省略した構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】(a)筋力補助装置の前面側の装着状態を示す模式図、(b)筋力補助装置の背面側の装着状態を示す模式図。
【図2】筋力補助装置の概略構成を示すブロック図。
【図3】バックパックの内部構造を示す縦断面図。
【図4】バックパックの内部構造を示す横断面図。
【図5】発電部の構成を示す断面拡大図。
【図6】発電部の構成を示す断面拡大図。
【図7】(a)(b)二次電池の揺動を示す縦断面図。
【図8】発電装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【0046】
1…装置装着者、2…筋力補助装置、3…生体信号検出部、4…アクチュエータ、5…フレーム、6…ECU、7…CPU、8…メモリ、10…二次電池、11…溝、12…凸部、13…磁石、20…バックパック、21…制御用空間、22…電池用空間、23…レール、23a…突条部、25…ばね、30…発電装置、31…発電部、32…圧電セラミックス、33…圧電素子、34…電極、35…整流器、41…発電部、42…コイル、44…電極、45…整流器、S…検出信号、Pma…制御プログラム。
【技術分野】
【0001】
この発明は、装着者の動作に応じて補助筋力を発生することにより動作を補助する筋力補助装置に設けられる発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、社会が急速に高齢化し、多くの都市や地域で人口全体に占める高齢者の割合が増えてきている。人は年齢を経ると筋力が低下する傾向にあることから、高齢化した際には動作が鈍くなったり、或いは重量の重いものが持てなくなったりする等の不便さが生じる。よって、この不便さを解消する一技術として、高齢者が腕や脚を動かして行う各種動作を補助する筋力補助装置が開発されている(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開2007−97636号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ところで、筋力補助装置は、装着者の動作に応じて補助筋力を発生する駆動装置と、同駆動装置の動力源となる二次電池が収容されたバックパックとを備えている。同二次電池は、現状では一重量当たりの充電量が少なく、長時間駆動することができない。そこで、この問題の解決策の一つとして発電装置を設けることが考えられるが、筋力補助装置に設けられる発電装置は発明されていない。そのため、筋力補助装置に設けられる発電装置が求められていた。
【0004】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、筋力補助装置に設けられる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項1に記載の発明は、装着者の動作に応じて補助筋力を発生する駆動装置と、同駆動装置の動力源となる二次電池が収容されたバックパックとを備える筋力補助装置に設けられる発電装置であって、前記二次電池を揺動可能に支持する揺動支持手段と、前記二次電池の揺動を利用して発電を行う発電部とが前記バックパック内に備えられることをその要旨としている。
【0006】
同構成によれば、二次電池を揺動可能に支持する揺動支持手段と、二次電池の揺動を利用して発電を行う発電部とを備えた発電装置が筋力補助装置のバックパック内に備えられる。このため、筋力補助装置を装着した装着者の動作にともなって二次電池はその自重によりバックパック内において揺動支持手段に支持されながら上下や左右等へ揺動する。そして、発電部は二次電池の揺動を利用して発電を行う。したがって、発電部において発電された電力を二次電池に充電したり、駆動装置へ供給したりすれば、筋力補助装置の駆動時間を従来よりも長くすることができるようになる。
【0007】
また、発電を行うために自重により揺動するように二次電池10支持したため、揺動する部材を新たに設ける必要がなく、二次電池10の重量を有効に利用することができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発電装置において、前記発電部は、外力を受けて変形することにより電力が発生する圧電素子を備え、同圧電素子は、前記二次電池の揺動によって外力が付与されるように配置されることをその要旨としている。
【0008】
同構成によれば、発電部は二次電池の揺動によって外力が付与されて、変形されることにより電力が発生する圧電素子を備えるため、二次電池がその自重により揺動することを利用して、圧電素子に外力を付与させて発電することができる。
【0009】
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発電装置において、前記発電部は、コイルと同コイルと相対変位可能に配置される磁石とを備え、前記二次電池の揺動によって同コイルと同磁石とを相対変位させることにより電力が発生することをその要旨としている。
【0010】
同構成によれば、発電部はコイルと磁石とを備え、二次電池の揺動によってコイルと磁石とを相対変位させるとコイルを貫く磁束が変化することによりコイルに電力が発生するため、二次電池がその自重により揺動することを利用して、コイルと磁石とを相対変位させて発電することができる。
【0011】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発電装置において、前記揺動支持手段は、前記二次電池と前記バックパックの内壁との間に配置されるばねであることをその要旨としている。
【0012】
同構成によれば、揺動支持手段は二次電池とバックパックの内壁との間に配置されるばねであるため、バックパック内において二次電池をばねによって揺動支持することができる。このため、簡易な構成で二次電池を揺動可能にするとともに、支持することができる。
【0013】
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の発電装置において、前記発電部は前記二次電池の上部及び下部の少なくとも一方に配置されることをその要旨としている。
【0014】
同構成によれば、発電部は二次電池の上部及び下部の少なくとも一方に配置されるため、発電部が二次電池の上下方向の揺動による発電を効率良く行うことができる。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の発電装置において、前記発電部で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられることをその要旨としている。
【0015】
同構成によれば、発電部で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられるため、駆動装置の駆動源となる二次電池と役割を分けることで、例えば補助二次電池を非常電源用として、二次電池が使えなくなった非常時に退避動作のみを行うようにすることができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、筋力補助装置に設けられる発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明の一実施形態について図1〜図7を参照して説明する。
図1(a)に示されるように、人体(以下、装置装着者と記す)1の身体には、装置装着者1が腕や脚等を動かして動作する際に装置装着者1に補助筋力を付与してこの動作を補助する筋力補助装置2が装着されている。図2に示されるように、この筋力補助装置2は、装置装着者1の動作意志を生体信号検出部3にて検出し、同生体信号検出部3の検出結果に基づき同筋力補助装置2の駆動源となる複数のアクチュエータ4を同動作意志に沿って駆動することで、装置装着者1にその動作意志に沿った補助筋力を付与する。筋力補助装置2は、高齢者が日常生活の際に支障を感じ難いレベルまで筋力を復元するリハビリテーション機能の役割や、装置装着者1が重いものを持ち上げる際にその時の力を増強するオーギュメンテーション機能の役割を果たす装置として使用される。
【0018】
生体信号検出部3は、装置装着者1が腕や脚等を動作させる際にその動作意志が反映されて人体内に発生する生体信号を読み取る検出系であって、例えば筋肉の動きを読み取る筋電センサ等が使用されている。この種の筋電センサは、装置装着者1が腕や脚等を動作させた際に筋肉に発生する微弱な電気を検出するものであって、例えば力の強さ、運動状態、柔らかさ、しなやかさに応じた検出信号(電気信号)Sを出力する。生体信号検出部3は、腕や脚等において筋肉が位置する複数箇所に設けられ、筋力補助装置2に電源が投入されると起動して、装置装着者1の動作意志として生体信号を検出する度に検出信号Sを出力する。
【0019】
図1(a)に示されるように、アクチュエータ4は、例えば複数のモータからなり、装置装着者1の腕や脚等の各部位を支持するフレーム5の各々の接続箇所に配置されている。即ち、アクチュエータ4は、装置装着者1の関節箇所に対応する位置に配置されている。アクチュエータ4も、筋力補助装置2に電源が投入されると起動を開始し、生体信号検出部3で読み取られた装置装着者1の動作意志に基づく駆動状態で駆動する。
【0020】
図1(b)に示されるように、装置装着者1の背中には、筋力補助装置2のコントロールユニットとしてECU6と、筋力補助装置2の電源となる直方体状の二次電池10と、同二次電池10の揺動を利用して発電を行う発電装置30とが収容されたバックパック20が装着されている。
【0021】
図2に示されるように、ECU6は、例えばCPU7やメモリ8等の素子群からなるとともに、入力側が生体信号検出部3に接続され、出力側がアクチュエータ4に接続されている。ECU6は、補助筋力発生処理を統括制御するものであって、生体信号検出部3から取得する検出信号Sに基づき装置装着者1の動作意志を監視し、動作意志があった際にはこの意志に沿った駆動状態となるようにアクチュエータ4を駆動制御することにより、装置装着者1に補助筋力を付与する。
【0022】
メモリ8には、筋力補助装置2のメインプログラムデータとして制御プログラムPmaが格納されている。本例の制御プログラムPmaは、生体信号検出部3を通じて装置装着者1の動作意志を検出した際、この時に装置装着者1が発生し得る人体発生筋力よりも大きな動作力を発生できるように、人体発生筋力の大きさ(動作意志の大小)に応じて付与すべき補助筋力を求め、この求められた補助筋力が装置装着者1の身体に付与されるようにアクチュエータ4を駆動制御する前記補助筋力発生処理をCPU7に実行させるためのものである。CPU7は、メモリ8内の制御プログラムPmaに従って動作することにより、補助筋力発生処理を実行する。
【0023】
二次電池10は、各アクチュエータ4に図示しないケーブルを介して接続され、各アクチュエータ4へ電力を供給する。二次電池10は、筋力補助装置2が装置装着者1に装着されていないときには図示しない外部電源に接続されて、同外部電源から充電されるとともに、筋力補助装置2が装置装着者1に装着されているときには発電装置30において発電された電力が蓄えられる。
【0024】
発電装置30は、同二次電池10をバックパック20の内部において揺動可能に支持する揺動支持手段としてのばね25と、二次電池10の揺動によって発電を行う発電部31とを備えている。
【0025】
次に、前述したECU6、二次電池10、及び発電装置30のバックパック20への収容状態について図3及び図4を参照して説明する。
図3に示されるように、ECU6は、バックパック20の上部に区画形成された制御収納室21に収納されている。二次電池10は、ばね25により上下へ揺動可能に支持された状態で、バックパック20の制御収納室21の下方に区画形成された電池収納室22に収納されている。ばね25は、電池収納室22の頂面及び底面と二次電池10の上面及び下面との間にそれぞれ2つずつ固定されている。これらばね25により、二次電池10は、電池収納室22の上下方向における中央である中立位置に保持されている。ばね25は、二次電池10が装置装着者1の動作によって電池収納室22の頂面若しくは底面から離間する側、又は近接する側へ変位すると、二次電池10を前記中立位置に戻す復元力が働くようになっている。
【0026】
図4に示されるように、バックパック20の電池収納室22は、二次電池10の外形に対応する直方体状をなし、側面の各角には、上下方向へ延出するとともに、横断面L字状のレール23がそれぞれ配置固定されている。レール23の上下へ延びる2つの内側縁には、突出部23aがレール23の全長に亘って形成されている。これら突条部23aは二次電池10の各側面にその全長に亘って形成された溝11に係合されている。これにより、二次電池10は、装置装着者1が動作すると、レール23に誘導されて上下方向へ変位するようになっている。
【0027】
図5に示されるように、発電部31は、電池収納室22の頂面及び底面の中央にそれぞれ設けられている。発電部31は、2枚の板状の圧電セラミックス32が貼り合わされてなるバイモルフ型の圧電素子33を備えている。圧電セラミックス32に設けられた電極34は整流器35を介して二次電池10に接続されている。ここで、二次電池10の上面及び下面の圧電素子33と対向する部分には、半球状の凸部12がそれぞれ形成されている。図6に示されるように、二次電池10が上下方向へ揺動し、電池収納室22の頂面又は底面に接近すると、凸部12により圧電素子33が押圧され、両圧電セラミックス32が変形する。すると、これらの間に起電力が発生し、この起電力により生じる電流は、整流器35によって整流されて二次電池10に供給される。
【0028】
次に、前記のように構成された筋力補助装置2の発電部31の動作態様について説明する。
筋力補助装置2の二次電池10は、筋力補助装置2が装着されていないときに外部電源に接続して充電可能となっている。筋力補助装置2が装着されて、電源が投入された状態で装置装着者1が何らかの動作を行うと、この動作に応じてアクチュエータ4が駆動する。各アクチュエータ4が二次電池10から供給される電力により駆動することから二次電池10の電力は経時的に減っていくこととなる。
【0029】
この点、本実施例では、装置装着者1の動作に応じて発電部31で発電される電力を二次電池10へ供給して充電することにより、二次電池10の消耗を抑制している。すなわち、図7(a)及び(b)に示されるように、筋力補助装置2を装着した装置装着者1が例えば、歩行すると、バックパック20内の二次電池10がばね25の弾性力に抗してレール23に沿って上下へ揺動し、これに伴い二次電池10には中立位置へ戻ろうとする復元力、すなわち変位方向と反対方向への付勢力がばね25を通じて付与される。よって、装置装着者1が歩行している間は、二次電池10の上下への揺動が繰り返されることとなる。二次電池10が電池収納室22の頂面又は底面に近接すると、二次電池10の凸部12により圧電素子33が押圧されて、圧電セラミックス32が変形する。すると、2つの圧電セラミックス32の電極34間に起電力が発生し、この起電力により発生した電流が整流器35によって整流されて二次電池10に供給される。
【0030】
このように、筋力補助装置2の使用に伴い、二次電池10の電力が消費される一方で、発電部31において発電される電力が二次電池に供給される。したがって、二次電池10の消耗が抑制され、筋力補助装置2の駆動時間を従来よりも長くすることができるようになる。
【0031】
以上、説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
(1)二次電池10を揺動可能に支持するばね25と、二次電池10の揺動を利用して発電を行う発電部31とを備えた発電装置30が筋力補助装置2のバックパック20内に備えられる。このため、装置装着者1の動作にともなって二次電池10はその自重によりバックパック20内においてばね25に支持されながら上下へ揺動する。そして、発電部31は二次電池10の揺動を利用して発電を行う。したがって、発電部31において発電された電力を二次電池10に充電することにより、筋力補助装置2の駆動時間を従来よりも長くすることができる。
【0032】
また、発電を行うために自重により揺動するように二次電池10支持したため、揺動する部材を新たに設ける必要がなく、二次電池10の重量を有効に利用することができる。
(2)発電部31は二次電池10の揺動によって外力が付与されて、変形されることにより電力が発生する圧電素子33を備えるため、二次電池10の自重により二次電池10が揺動することを利用して、圧電素子33に外力を付与させて発電することができる。
【0033】
(3)バックパック20内において二次電池10をばね25によって揺動可能に支持するため、簡易な構成である。
(4)発電部31は二次電池10の上部及び下部に配置されるため、発電部31が二次電池10の上下方向の揺動による発電を効率良く行うことができる。
【0034】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記実施形態では、2枚の圧電セラミックス32を貼り合わせたバイモルフ型の圧電素子33に限らず、3枚以上の圧電セラミックス32を積層型等の他の圧電素子としてもよい。
【0035】
・上記実施形態では、二次電池10の上部及び下部に凸部12を1つずつ形成したが、二次電池10の上部及び下部に凸部12を複数形成するようにしてもよい。
・上記実施形態では、二次電池10の凸部12によって圧電素子33を変形させて発電する発電部31としたが、コイルと同コイルと相対変位可能に配置される磁石とを備えた発電部に変更してもよい。詳しくは、図8に示されるように、発電部41は、両端部に電極44が設けられたコイル42と、同コイル42と相対変位可能に配置される棒状の磁石13と、両電極44に接続された整流器35とを備えている。コイル42は、電池収納室22の頂面又は底面に固定されている。磁石13は、コイル42内に挿通されている。そして、二次電池10の揺動によってコイル42と磁石13とが相対変位するとコイル42を貫く磁束が変化することによりコイル42に起電力が発生する。このため、二次電池10の自重により二次電池10が揺動することを利用して、コイル42と磁石13とを相対変位させて発電することができる。なお、磁石13は、磁石13が相対変位することによりコイル42に起電力が発生すれば、コイル42の外に配置してもよい。
【0036】
・上記実施形態において、発電部31,41の電力を発生する圧電素子33やコイル42をバックパック20側に設けるとともに、凸部12や磁石13を二次電池10側に設けるようにした。しかしながら、圧電素子33やコイル42を二次電池10側に設けるとともに、凸部12や磁石13をバックパック20側に設けるようにしてもよい。
【0037】
・上記実施形態では、整流器35,45をバックパック20に設けるようにしたが、整流器35,45を二次電池10に設け、圧電素子33やコイル42からバックパック20を経由せずに接続するようにしてもよい。このようにすれば、バックパック20を経由せずに発電部31,41で発電された電力を二次電池10に直接蓄えることができる。
【0038】
・上記実施形態において、発電部31,41は、必ずしも二次電池10の上下方向への揺動に限らず、左右方向や前後方向への揺動によって発電できるように、左右方向又は前後方向の電池収納室22の側面と二次電池10の側面との間に二次電池10を挟んで両側にそれぞれ設けるようにしてもよい。
【0039】
・上記実施形態では、発電部31,41を二次電池10の上下方向、左右方向、及び前後方向のいずれかの揺動によって発電できるように二次電池10を挟んで両側にそれぞれ設けるようにした。しかしながら、発電部31,41を二次電池10の片側に設けるようにしてもよい。
【0040】
・上記実施形態では、発電部31,41を二次電池10の上下方向、左右方向、及び前後方向のいずれかの揺動によって発電できるように二次電池10を挟んで両側に1つずつ配置するようにした。しかしながら、発電部31,41を二次電池10の上下方向、左右方向、及び前後方向のいずれかの揺動によって発電できるように二次電池10を挟んで両側にそれぞれ複数配置するようにしてもよい。このようにすれば、発電装置での発電量を増加させることができる。
【0041】
・上記実施形態では、発電部31で発電された電力は二次電池10に蓄えられるようにしたが、二次電池10に充電せず、直接アクチュエータ4に電力を供給するようにしてもよい。
【0042】
・上記実施形態では、発電部31,41で発電された電力を二次電池10に蓄えるようにしたが、発電部31,41で発電された電力を蓄える補助二次電池を設けるようにしてもよい。このようにすれば、発電部31,41で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられるため、アクチュエータ4の駆動源となる二次電池10と役割を分けることで、例えば補助二次電池を非常電源用として、二次電池10が使えなくなった非常時に退避動作のみを行うようにすることができる。
【0043】
・上記実施形態にいて、揺動支持部材は、必ずしもばね25に限らず、例えばゴム等を採用してもよい。
・上記実施形態において、アクチュエータ4は、必ずしもモータに限らず、例えば空圧シリンダ、油圧シリンダ等を採用してもよい。
【0044】
・上記構成において、レール23を省略した構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】(a)筋力補助装置の前面側の装着状態を示す模式図、(b)筋力補助装置の背面側の装着状態を示す模式図。
【図2】筋力補助装置の概略構成を示すブロック図。
【図3】バックパックの内部構造を示す縦断面図。
【図4】バックパックの内部構造を示す横断面図。
【図5】発電部の構成を示す断面拡大図。
【図6】発電部の構成を示す断面拡大図。
【図7】(a)(b)二次電池の揺動を示す縦断面図。
【図8】発電装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【0046】
1…装置装着者、2…筋力補助装置、3…生体信号検出部、4…アクチュエータ、5…フレーム、6…ECU、7…CPU、8…メモリ、10…二次電池、11…溝、12…凸部、13…磁石、20…バックパック、21…制御用空間、22…電池用空間、23…レール、23a…突条部、25…ばね、30…発電装置、31…発電部、32…圧電セラミックス、33…圧電素子、34…電極、35…整流器、41…発電部、42…コイル、44…電極、45…整流器、S…検出信号、Pma…制御プログラム。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
装着者の動作に応じて補助筋力を発生する駆動装置と、同駆動装置の動力源となる二次電池が収容されたバックパックとを備える筋力補助装置に設けられる発電装置であって、
前記二次電池を揺動可能に支持する揺動支持手段と、前記二次電池の揺動を利用して発電を行う発電部とが前記バックパック内に備えられる
ことを特徴とする発電装置。
【請求項2】
請求項1に記載の発電装置において、
前記発電部は、外力を受けて変形することにより電力が発生する圧電素子を備え、
同圧電素子は、前記二次電池の揺動によって外力が付与されるように配置される
ことを特徴とする発電装置。
【請求項3】
請求項1に記載の発電装置において、
前記発電部は、コイルと同コイルと相対変位可能に配置される磁石とを備え、前記二次電池の揺動によって同コイルと同磁石とを相対変位させることにより電力が発生する
ことを特徴とする発電装置。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記揺動支持手段は、前記二次電池と前記バックパックの内壁との間に配置されるばねである
ことを特徴とする発電装置。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記発電部は前記二次電池の上部及び下部の少なくとも一方に配置される
ことを特徴とする発電装置。
【請求項6】
請求項1〜5のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記発電部で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられる
ことを特徴とする発電装置。
【請求項1】
装着者の動作に応じて補助筋力を発生する駆動装置と、同駆動装置の動力源となる二次電池が収容されたバックパックとを備える筋力補助装置に設けられる発電装置であって、
前記二次電池を揺動可能に支持する揺動支持手段と、前記二次電池の揺動を利用して発電を行う発電部とが前記バックパック内に備えられる
ことを特徴とする発電装置。
【請求項2】
請求項1に記載の発電装置において、
前記発電部は、外力を受けて変形することにより電力が発生する圧電素子を備え、
同圧電素子は、前記二次電池の揺動によって外力が付与されるように配置される
ことを特徴とする発電装置。
【請求項3】
請求項1に記載の発電装置において、
前記発電部は、コイルと同コイルと相対変位可能に配置される磁石とを備え、前記二次電池の揺動によって同コイルと同磁石とを相対変位させることにより電力が発生する
ことを特徴とする発電装置。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記揺動支持手段は、前記二次電池と前記バックパックの内壁との間に配置されるばねである
ことを特徴とする発電装置。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記発電部は前記二次電池の上部及び下部の少なくとも一方に配置される
ことを特徴とする発電装置。
【請求項6】
請求項1〜5のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記発電部で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられる
ことを特徴とする発電装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【公開番号】特開2009−153878(P2009−153878A)
【公開日】平成21年7月16日(2009.7.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−337788(P2007−337788)
【出願日】平成19年12月27日(2007.12.27)
【出願人】(000003551)株式会社東海理化電機製作所 (3,198)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年7月16日(2009.7.16)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年12月27日(2007.12.27)
【出願人】(000003551)株式会社東海理化電機製作所 (3,198)
【Fターム(参考)】
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