装着式動作補助装置及び供給電力の制御方法
【課題】電力を必要とする状況において、適切な量の電力のみが使用されるようにして、省エネ効率を向上させることができる装着式動作補助装置、及び供給電力の制御方法を提供する。
【解決手段】補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、装着者の意思検出手段と、モータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、モータに対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、を備えた装着式動作補助装置において、バッテリにより供給される電力を、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリにより供給される電力を、モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、装着者が動作を行おうとする意思が検出されない期間にモータ側への電力供給回路が遮断されるように供給電力のオン／オフ制御を行う電力供給制御手段と、を備える。
【解決手段】補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、装着者の意思検出手段と、モータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、モータに対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、を備えた装着式動作補助装置において、バッテリにより供給される電力を、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリにより供給される電力を、モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、装着者が動作を行おうとする意思が検出されない期間にモータ側への電力供給回路が遮断されるように供給電力のオン／オフ制御を行う電力供給制御手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置、及びそのような装着式動作補助装置における供給電力の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、身体障害者や高齢者等の動作を補助するための装置として、下肢や腕、手などの関節部分の動作を補助する外骨格型ロボットや、歩行補助装置等、人体に装着されて用いられる種々の動作補助装置が知られている。この装着式動作補助装置は、けがや病気等にかかっている患者のリハビリテーションや、高齢者の介護の場面にも用いられている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
図９は、このような装着式動作補助装置の回路図を概略的に示している。装着式動作補助装置は、人体の関節等に装着されて各関節等の動作を補助するための補助力付与器具１０１と、補助力付与器具１０１を駆動するＤＣモータ１０３と、装着者の動作に関する意思の検出に用いられる生体信号センサ１０５と、生体信号センサ１０５によって検出される生体信号に基づき推定される装着者の意思に従った補助力が付与されるようにＤＣモータ１０３の制御信号を生成する制御装置（ＣＰＵ）１０７と、制御装置１０７の制御信号に基づいてＤＣモータ１０３に対して駆動信号を出力するモータ駆動回路１０９とを主要な構成要素として備えている。
【０００４】
また、装着式動作補助装置は、電力の供給源としてのバッテリ１１１と、バッテリ１１１から供給される電力を生体信号センサ１０５や制御装置１０７、モータ駆動回路１０９に対して供給する第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１３と、バッテリ１１１から供給される電力をＤＣモータ１０３に供給する第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１５とを備えている。第１及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１３，１１５は、それぞれバッテリ１１１から供給される電圧Ｖ１の電力を所定の電圧Ｖ２，Ｖ３に変換して各構成要素に供給する。例えば、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１３は５Ｖの電力を生体信号センサ１０５や制御装置１０７に対して供給し、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１５は２４Ｖの電力をＤＣモータ１０３に対して供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９５５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような装着式動作補助装置は、装着者によって装着されるとともにバッテリがオンにされている限り、装着者の動作に関する意思を検出できる状態にしておく必要がある。すなわち、装着者が動作を行っている場合はもちろんのこと、装着者が仮眠や休息を取っている間等、装着者が積極的に動作を行う意思がない場合においても、生体信号センサ１０５、制御装置１０７及びモータ駆動回路１０９からなる制御系については電力を供給し続け、生体信号に基づく演算処理を継続させる必要がある。
【０００７】
一方、装着者が動作を行う意思がない場合においては、補助力を付与する必要がないために、基本的にはＤＣモータ１０３に対して電力を供給する必要が無い。しかしながら、ＤＣモータ１０３は、モータが駆動していない待機状態においても電力が供給されるようになっているために、従来の装着式動作補助装置においては、補助力を付与する必要がない期間においてもＤＣモータ１０３では消費電力が発生している。例えば、ＤＣモータ１０３がインバータ制御されるものである場合には、待機状態であっても制御ＩＣに制御用の電圧を印加しておく必要がある。また、そのような場合には、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１５内でも少なからず消費電力が発生することになる。
【０００８】
装着式動作補助装置において、補助力付与器具１０１はその目的に応じて複数の関節部分に沿って装着されるものであり、用いられるＤＣモータ１０３の数が多いほど、待機状態での消費電力は増大することになる。このような待機状態における消費電力は、一回の充電でのバッテリ１０１の使用期間を短縮させる原因になり得るため、装着式動作補助装置においては、待機状態での消費電力を低減することが極めて重要な問題となる。
【０００９】
本発明の発明者らはこのような問題に鑑みて、装着者の動作に関する意思の検出に用いる意思検出手段の検出信号を、補助力を付与する制御に用いるだけでなく、モータ側への電力供給回路の遮断又は接続の制御にも用いるようにすることでこのような問題を解決することができることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は、電力を必要とする状況において、適切な量の電力のみが使用されるようにして、省エネ効率を向上させることができる装着式動作補助装置、及び供給電力の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置であって、装着者に対する補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段と、意思検出手段により検出された装着者の意思に従って補助力が付与されるようにモータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、制御信号に基づいてモータに対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、を備えた装着式動作補助装置において、電力の供給源となるバッテリにより供給される電力を、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリにより供給される電力を、モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、意思検出手段によって装着者が動作を行おうとする意思が検出されない期間にモータ側への電力供給回路が遮断されるように供給電力のオン／オフ制御を行う電力供給制御手段と、を備えることを特徴とする装着式動作補助装置が提供され、上述した問題を解決することができる。
【００１１】
すなわち、本発明の装着式動作補助装置によれば、装着式動作補助装置の使用期間中において、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路を含む補助力付与制御系には常に電力が供給される一方、装着者が動作を行う意思がない期間中にはモータ側への電力供給回路が遮断されるようになる。したがって、モータやバッテリの寿命を向上させることができるとともに、電力が必要な状況において、適切な量の電力のみが使用されるようになり、省エネ効率を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、電力供給制御手段は、意思検出手段の検出信号の値と、補助力の付与の要否の境界値として設定された閾値と、を比較し、検出信号の値が閾値以下のときに電力供給回路を遮断させることが好ましい。
【００１３】
本発明において、電力供給制御手段が、意思検出手段による検出信号の値が所定の閾値以下のときに電力供給回路を遮断させることにより、意思検出手段や制御装置等の特性、あるいは装着者の動作の特性に応じて、モータへの供給電力の要否を正確に判定することができるようになる。
【００１４】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、電力供給制御手段は、検出信号の値が閾値以下となった状態で所定時間経過したときに電力供給回路を遮断させる一方、検出信号の値が閾値を超えたときには速やかに電力供給回路を接続させることが好ましい。
【００１５】
本発明において、電力供給回路を遮断させる際にこのように制御することにより、モータ側への電力供給回路の遮断及び接続が短期間で繰り返されることを防ぐことができるとともに、電力供給回路の遮断後、検出信号の値が閾値を超えたときに速やかに電力供給回路を接続させることにより、装着者の動作に遅れることなく適切に補助力を付与することができる。
【００１６】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、第２のＤＣ／ＤＣコンバータが、入力される指示信号に応じて電力供給回路の遮断又は接続を切り換え可能なオン／オフ制御部を備え、電力供給制御手段は、オン／オフ制御部に対してリモート信号を出力することが好ましい。
【００１７】
本発明において、電力供給制御手段が、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ内のオン／オフ制御部に対してリモート信号を出力することでモータ側への電力供給回路の遮断又は接続が切り換えられるようにすることにより、構成部品を増やすことなく、モータ側への電力供給回路の遮断又は接続を制御することができる。
【００１８】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、補助力付与制御手段と電力供給制御手段とが一つの制御装置として構成されることが好ましい。
【００１９】
本発明において、補助力付与制御手段と電力供給制御手段とが一つの制御装置として構成されることにより、既存の制御装置に電力供給制御の機能を追加することにより、モータ側への電力供給回路の遮断又は接続を制御可能な装着式動作補助装置を容易に構成することができる。
【００２０】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、意思検出手段が、人体の筋電位信号を検出する手段、あるいは、人体の関節の角度、角速度、又は回転速度を検出する物理量センサであることが好ましい。
【００２１】
本発明において、意思検出手段が所定の手段又は物理量センサであることにより、装着者の動作に関する意思が比較的正確に検出され、モータ側への電力供給回路の遮断又は接続を正確に制御することができる。
【００２２】
また、本発明の別の態様は、人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置における供給電力の制御方法であって、装着者に対する補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段と、意思検出手段により検出された装着者の意思に従った補助力が付与されるようにモータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、制御信号に基づいてモータへの指示信号に対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、電力の供給源となるバッテリにより供給される電力を、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリにより供給される電力を、モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えた装着式動作補助装置における供給電力の制御方法において、意思検出手段による検出信号の値を所定の閾値と比較するステップと、検出信号の値が閾値以下のときにモータ側への電力供給回路を遮断するステップと、を備えることを特徴とする供給電力の制御方法である。
【００２３】
すなわち、本発明の装着式動作補助装置の供給電力の制御方法によれば、装着式動作補助装置の使用期間中において、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路を含む補助力付与制御系には常に電力が供給される一方、装着者が動作を行う意思がない期間中にはモータ側への供給電力回路を遮断させることができる。したがって、モータやバッテリの寿命を向上させることができるとともに、電力が必要な状況において、適切な量の電力のみが使用されるようになり、省エネ効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる装着式動作補助装置の回路図である。
【図２】補助力付与制御系の信号の流れについて説明するための図である。
【図３】電力供給制御系の信号の流れについて説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる供給電力の制御方法の具体例を示すフローチャート図である。
【図５】供給電力の制御方法の変更例を示すフローチャート図である。
【図６】装着式動作補助装置の変更例の回路図である。
【図７】本発明の実施例にかかる下肢補助用外骨格型ロボットの回路図である。
【図８】本発明の実施例にかかるＤＣモータ、モータ駆動回路、筋電位センサの仕様を示す図である。
【図９】従来の装着式動作補助装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の装着式動作補助装置及び供給電力の制御方法に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、以下の実施の形態は、本発明の一態様を示すものであって本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材が示され、適宜説明が省略されている。
【００２６】
１．装着式動作補助装置の全体的構成
図１は、本実施形態の装着式動作補助装置（以下、単に「補助装置」と称する。）１０の回路図を概略的に示している。図１において、破線の矢印は信号の流れを示しており、実線の矢印は電力の流れを示している。
【００２７】
この補助装置１０は、人体に装着されて用いられ、装着者の動作に従って、当該動作の作用方向への必要出力（以下、単に「補助力」と称する。）を適切に付与することで装着者の動作を補助するための装置である。このような補助装置１０は、下肢や腕、手などの関節部分の動作を補助する外骨格型ロボットや、歩行補助装置等に例示されるものである。
【００２８】
補助装置１０は、装着者に付与する補助力を発生するＤＣモータ１３を有する補助力付与器具１１と、装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段１５と、意思検出手段１５により検出された装着者の意思に従った補助力が付与されるようにＤＣモータ１３の制御信号Ｓｃを生成する補助力付与制御手段としての制御装置１７と、制御装置１７の制御信号Ｓｃに基づいてＤＣモータ１３に対して駆動信号Ｓｄを出力するモータ駆動回路１９とを備えている。後述するように、制御装置１７は、供給電力制御手段としての機能も有している。
【００２９】
また、補助装置１０は、電力の供給源となるバッテリ２１と、それぞれバッテリ２１から供給される電圧Ｖ１の電力を所定の電圧Ｖ２，Ｖ３に変換して供給する第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５とを備えている。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、意思検出手段１５、制御装置１７及びモータ駆動回路１９に対して、例えば５Ｖの電圧の電力を供給する。また、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、ＤＣモータ１３に対して、例えば２４Ｖの電圧の電力を供給する。
【００３０】
補助力付与器具１１は、腰や膝、肘、指等の関節部分に装着される器具であって、例えば、関節部分に位置するジョイント部１１ｃによって連結された第１のアーム１１ａと第２のアーム１１ｂとを備えて構成される。第１のアーム１１ａ及び第２のアーム１１ｂはそれぞれ関節を挟んだ両側の部位に固定される。
【００３１】
また、補助力を発生するＤＣモータ１３は、ＤＣモータ１３が正方向又は逆方向に回転することで、第１のアーム１１ａ及び第２のアーム１１ｂがジョイント部１１ｃを軸に回動するように、ジョイント部１１ｃに取り付けられている。例えば、下肢用の補助装置１０である場合には、左右の股関節及び膝関節それぞれにジョイント部１１ｃが位置するように構成され、計四つのＤＣモータ１３が備えられる。
【００３２】
このＤＣモータ１３は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によって駆動制御が行われるものであり、一定の周期ごとに、補助力付与制御系から指示される駆動信号（ＤＣレベル）Ｓｄの大きさに応じてパルス幅のデュ−ティ・サイクル（パルス幅のＨとＬの比）を変えることで、ＤＣモータ１３の出力トルクが制御されるようになっている。このＤＣモータ１３の出力トルクの大きさによって、装着者に付与される補助力の大きさが調節される。また、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介してＤＣモータ１３に供給される電力は、供給電力制御系によってそのオン／オフが制御されるようになっている。
【００３３】
意思検出手段１５は、装着者の動作に関する意思に応じた検出信号Ｓｅを制御装置１７に対して出力するものとして構成されている。例えば、装着者が動作を行う際に体内で発生する、筋に対する指令信号である筋電位信号（ＥＭＧ信号）を検出する筋電位センサが意思検出手段１５として用いられる。これ以外にも、関節の角度を検出する角度センサや、関節の動きの角速度を検出する角速度センサ、関節の回転速度を検出する回転速度センサ等に例示される、関節の動きを検出可能な物理量センサを用いることもできる。これらの筋電位センサや物理量センサの出力は、補助力付与器具１１が装着された関節等の動作を生じる直前に、あるいは、動作に伴って変動するようになっている。
【００３４】
制御装置１７は、公知のマイクロコンピュータや、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の記憶素子を中心に構成されたものであり、意思検出手段１５の検出信号Ｓｅに基づいて、補助力付与制御及び電力供給制御を行うように構成されている。制御装置１７は、補助力付与制御に関する演算結果の制御信号Ｓｃをモータ駆動回路１９に出力するとともに、電力供給制御に関する演算結果のリモート信号Ｓｒを第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５に出力する。
【００３５】
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、従来公知のＤＣ／ＤＣコンバータを適宜用いることができる。ただし、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５については、入力される指示信号に応じて電力供給回路を開閉（遮断／接続）するオン／オフ制御部としてのＩＣ２７を備えており、このオン／オフ制御用のＩＣ２７には、ＲＣピン２９を介して制御装置１７のリモート信号が入力されるようになっている。
【００３６】
２．補助力付与制御系
図２は、本実施形態の補助装置１０における補助力付与制御系の信号の流れを示している。本実施形態の補助装置１０において、補助力付与制御系は、意思検出手段１５、制御装置１７及びモータ駆動回路１９によって構成される。
【００３７】
制御装置１７は、意思検出手段１５の検出信号Ｓｅに基づいて、付与する補助力の大きさや向きを演算処理によって求め、モータ駆動回路１９に対して出力する制御信号Ｓｃを生成する。例えば、意思検出手段１５として筋電位センサを用いた場合、図２に示すように、制御装置１７に筋電位信号Ｓｅが入力されると、この筋電位信号Ｓｅは増幅器によって所定の増幅率（例えば１０００倍）で増幅されるとともにデジタル信号に変換される。また、デジタル化された筋電位の信号は、さらにローパスフィルタによって低帯域の信号が取り出されるとともにスムージング処理された後、ノーマライザによって基準化される。付与する補助力の大きさや向きは、このように処理された筋電位のデータ信号に基づいて求められる。ただし、筋電位信号Ｓｅの処理の方法はこの例に限られない。
【００３８】
そして、モータ駆動回路１９は、制御装置１７から出力される制御信号Ｓｃに基づいてＤＣモータ１３の駆動信号（ＤＣレベル）Ｓｄを生成し、ＤＣモータ１３に対して出力する。これにより、ＤＣモータ１３では駆動信号（ＤＣレベル）Ｓｄに基づいてその出力トルクや回転方向が制御され、装着者の動作に応じた補助力を発生させる。補助力付与制御において制御装置１７によって行われる具体的な演算処理の方法についてはすでに公知の方法を採用することができるために、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００３９】
３．電力供給制御系
（１）概略
図３は、本実施形態の補助装置１０における補助力付与制御系の信号の流れを示している。本実施形態の補助装置１０において、電力供給制御系は、意思検出手段１５、制御装置１７及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５によって構成される。
【００４０】
制御装置１７は、意思検出手段１５の出力に基づいて、電力供給回路の開閉の指示を演算処理によって求め、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５に対して出力するリモート信号Ｓｒを生成する。具体的には、上述の補助力付与制御系でも用いられた筋電位のデータ信号の値を閾値と比較し、データ信号の値が閾値を超えている場合には電力供給回路を接続するよう指示するリモート信号Ｓｒを生成し、データ信号の値が閾値以下の場合には電力供給回路を遮断するよう指示するリモート信号Ｓｒを生成する。
【００４１】
このときの閾値は、それぞれの補助装置１０の特性や、装着者の動作又は筋電位の特性等に応じて適宜設定、補正される値であり、通常、補助力付与制御系での演算処理において、ＤＣモータ１３によって装着者に付与する補助力を発生させるか否かの境界となる筋電位のデータ信号の値に相当する値に設定される。
【００４２】
そして、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５では、制御装置１７から出力されるリモート信号Ｓｒに基づいて、ＩＣ２７によって、電力供給回路の開閉制御が行われる。これにより、装着者が動作を行おうとする意思がない期間においては、ＤＣモータ１３への電力の供給が遮断され、この期間でのＤＣモータ１３での消費電力をゼロとすることができる。また、これに伴い、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５内においても、少なくとも電力供給回路を開閉する素子部分よりも下流側での消費電力もゼロとなる。
【００４３】
（２）具体的フロー
図４は、制御装置１７によって実行される電力供給制御の具体例を説明するためのフローチャート図を示している。以下の例では、意思検出手段１５として筋電位センサを用いた例を示している。
【００４４】
このフローチャートの例では、まず、ステップＳ１において、制御装置１７に筋電位センサの検出信号Ｓｅが入力されると、ステップＳ２において、制御装置１７は、検出信号Ｓｅの増幅処理、デジタル化処理、フィルタ処理、スムージング処理、基準化処理等を行い、筋電位のデータ信号を得る。
【００４５】
次いで、ステップＳ３において、制御装置１７は、ステップＳ２で得られた筋電位のデータ信号の値が閾値以下であるか否かを判別する。ステップＳ３でＹｅｓと判定された場合には、装着者が動作を行おうとする意思を有していないものと判断することができるために、制御装置１７は、ＤＣモータ１３への電力供給回路を遮断する指示信号を生成する。
【００４６】
一方、ステップＳ３でＮｏと判定された場合には、装着者が動作を行う意思を有していると判断することができるために、制御装置１７は、ＤＣモータ１３への電力供給回路を接続する指示信号を生成する。
【００４７】
そして、ステップＳ６において、制御装置１７は、電力供給回路の遮断又は接続を指示するリモート信号Ｓｒを第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５に対して出力し、スタートに戻る。その結果、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５のＩＣ２７は、ＲＣピン２９を介して入力されるリモート信号Ｓｒに応じて、電力供給回路を開閉する制御を実行する。これ以降は、再びステップＳ１以降の各ステップが繰り返し行われる。
【００４８】
このように本実施形態の補助装置１０によれば、意思検出手段１５の検出信号に基づいて電力供給制御を実行することにより、装着者が動作を行おうとする意思を有していない期間にはＤＣモータ１３における消費電力をゼロとすることができる。併せて、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５における電力供給回路の開閉を行う素子部分よりも下流側での消費電力もゼロとなる。したがって、電力が必要な状況において、適切な量の電力のみが使用されるようになり、省エネ効率の向上が図られる。併せて、一回の充電によるバッテリの使用期間を拡張することができるとともに、ＤＣモータ１３やバッテリ２１の寿命を向上させることができる。
【００４９】
特に、本実施形態の補助装置１０においては、意思検出手段１５の検出信号Ｓｅの値が所定の閾値以下のときに電力供給回路を遮断させるようになっており、意思検出手段１５や制御装置１７等の特性、あるいは装着者の動作の特性に応じて、ＤＣモータ１３への供給電力の要否を正確に判定することができる。
【００５０】
さらに、本実施形態の補助装置１０では、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５に備えられたＲＣピン２９及びＩＣ２７によって、ＤＣモータ１３側への電力供給回路の開閉を実行するようになっているとともに、補助力付与制御を行う制御装置１７が電力供給制御も行うようになっているために、構成部品を増やすことなく、ＤＣモータ１３側への電力供給回路の開閉制御を実行可能な補助装置１０を容易に構成することができるようになっている。
【００５１】
４．その他の変更例
これまでに説明した本発明の実施の形態は、以下のように変更して構成することもできる。
【００５２】
例えば、図５のフローチャート図に示すように、ＤＣモータ１３側への電力供給回路を遮断する場合に、筋電位のデータ信号の値が閾値以下となってからの経過時間が規定値を越えたか否かを判別するステップＳ７を設け、装着者が動作を行う意思を有していないと判断できる状態となってからの経過時間が規定値を超えた場合に、電力供給回路を遮断させるようにすることもできる。このようにすれば、極めて短時間の間だけ筋電位センサの出力がゼロになった場合においてＤＣモータ１３への電力の供給が停止することがなくなり、電力の供給及び停止が短時間の間に繰り返されることを防ぐことができる。
【００５３】
ただし、この場合であっても、ＤＣモータ１３側への電力供給回路を接続する場合には速やかに接続させることが好ましい。これにより、電力供給回路が遮断された状態から装着者が動作を行うときに、当該動作に遅れることなく適切な補助力を付与することができる。
【００５４】
あるいは、電力供給回路を遮断する際の閾値と接続する際の閾値とを異ならせることによっても、ＤＣモータ１３への電力の供給及び停止が繰り返されることを防ぐことができる。具体的には、電力供給回路を遮断する際の閾値を、接続する際の閾値よりも低くすることにより、ＤＣモータ１３への電力の供給及び停止が繰り返されることを防ぐことができる。
【００５５】
また、電力供給回路を開閉する手段に関して、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５とは別に、ＤＣモータ１３側への電力供給回路上にリレー素子を設けることもできる。図６は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の上流側にリレー素子３１を設け、制御装置１７のリモート信号によってリレー素子３１を開閉するように構成した補助装置５０を示している。このように構成された補助装置５０によっても、装着者が動作を行おうとする意思を有していない期間にＤＣモータ１３側への電力供給回路が遮断され、電力が必要な状況において、適切な量の電力のみが使用されるようにすることができる。この場合、リレー素子の配置位置は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の下流側であってもよい。
【００５６】
さらに、補助装置１０に複数のＤＣモータ１３が備えられている場合において、一つの第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５からすべてのＤＣモータ１３に対して電力を供給するように構成し、すべてのＤＣモータ１３によって補助力を付与する必要がないときに電力供給回路を遮断するように制御することができる。あるいは、ＤＣモータ１３ごとに独立して第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５から電力を供給するように構成し、それぞれのＤＣモータ２５ごとに電力供給回路を遮断するように制御することもできる。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明にかかる装着式動作補助装置の実施例について説明する。
【００５８】
図７は、本発明の装着式動作補助装置の実施例としての下肢補助用外骨格型ロボット（以下、単に「外骨格型ロボット」という。）１０Ａの回路図を示している。図７において、破線の矢印は信号の流れを示しており、実線の矢印は電力の流れを示している。
【００５９】
この外骨格型ロボット１０Ａは、左右の股関節及び膝関節の動作を補助するためのものであり、意思検出手段としての４個の筋電位センサ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄと、それぞれの関節部分に補助力を付与するための４個のＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄと、それぞれのＤＣモータを駆動する４個のモータ駆動回路１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄと、１台の制御装置１７とを備えて構成されている。
【００６０】
このうち、４個の筋電位センサ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄと、４個のモータ駆動回路１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄと、１台の制御装置１７とには、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３により電力が供給される。主電源となるバッテリ２１の供給電圧は３０Ｖであり、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３は５Ｖの直流電圧を供給する。また、４個のＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄには第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５により電力が供給される。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５は２４Ｖの直流電圧を供給する。
【００６１】
この実施例の外骨格型ロボット１０Ａで用いられているＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ、筋電位センサ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ、モータ駆動回路１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄそれぞれの仕様は、図８に示すとおりである。
【００６２】
この外骨格型ロボット１０Ａは、ＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの出力トルクがゼロの状態においてもＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄへの電力の供給を遮断しない場合には、１個当たり約１．５ワットの電力消失を生じていた。
【００６３】
一方、ＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄすべての目標出力トルクがゼロの状態において第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５によって電力供給回路を遮断した場合には、１個当たり約１．５ワット、全体で約６ワットの省エネルギーを達成できた。
また、この場合に、ＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの目標出力トルクがゼロを超えた場合において、ＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの作動開始までの遅れ時間は約１０ｍｓであり、補助力の付与に遅れが出ないことも確認された。
【符号の説明】
【００６４】
１０：装着式動作補助装置、１１：補助力付与器具、１３：ＤＣモータ、１５：意思検出手段（筋電位センサ）、１７：制御装置、１９：モータ駆動回路、２１：バッテリ、２３：第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、２５：第２のＤＣ／ＤＣコンバータ、２７：ＩＣ、２９：ＲＣピン、３１：リレー素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置、及びそのような装着式動作補助装置における供給電力の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、身体障害者や高齢者等の動作を補助するための装置として、下肢や腕、手などの関節部分の動作を補助する外骨格型ロボットや、歩行補助装置等、人体に装着されて用いられる種々の動作補助装置が知られている。この装着式動作補助装置は、けがや病気等にかかっている患者のリハビリテーションや、高齢者の介護の場面にも用いられている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
図９は、このような装着式動作補助装置の回路図を概略的に示している。装着式動作補助装置は、人体の関節等に装着されて各関節等の動作を補助するための補助力付与器具１０１と、補助力付与器具１０１を駆動するＤＣモータ１０３と、装着者の動作に関する意思の検出に用いられる生体信号センサ１０５と、生体信号センサ１０５によって検出される生体信号に基づき推定される装着者の意思に従った補助力が付与されるようにＤＣモータ１０３の制御信号を生成する制御装置（ＣＰＵ）１０７と、制御装置１０７の制御信号に基づいてＤＣモータ１０３に対して駆動信号を出力するモータ駆動回路１０９とを主要な構成要素として備えている。
【０００４】
また、装着式動作補助装置は、電力の供給源としてのバッテリ１１１と、バッテリ１１１から供給される電力を生体信号センサ１０５や制御装置１０７、モータ駆動回路１０９に対して供給する第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１３と、バッテリ１１１から供給される電力をＤＣモータ１０３に供給する第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１５とを備えている。第１及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１３，１１５は、それぞれバッテリ１１１から供給される電圧Ｖ１の電力を所定の電圧Ｖ２，Ｖ３に変換して各構成要素に供給する。例えば、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１３は５Ｖの電力を生体信号センサ１０５や制御装置１０７に対して供給し、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１５は２４Ｖの電力をＤＣモータ１０３に対して供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９５５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような装着式動作補助装置は、装着者によって装着されるとともにバッテリがオンにされている限り、装着者の動作に関する意思を検出できる状態にしておく必要がある。すなわち、装着者が動作を行っている場合はもちろんのこと、装着者が仮眠や休息を取っている間等、装着者が積極的に動作を行う意思がない場合においても、生体信号センサ１０５、制御装置１０７及びモータ駆動回路１０９からなる制御系については電力を供給し続け、生体信号に基づく演算処理を継続させる必要がある。
【０００７】
一方、装着者が動作を行う意思がない場合においては、補助力を付与する必要がないために、基本的にはＤＣモータ１０３に対して電力を供給する必要が無い。しかしながら、ＤＣモータ１０３は、モータが駆動していない待機状態においても電力が供給されるようになっているために、従来の装着式動作補助装置においては、補助力を付与する必要がない期間においてもＤＣモータ１０３では消費電力が発生している。例えば、ＤＣモータ１０３がインバータ制御されるものである場合には、待機状態であっても制御ＩＣに制御用の電圧を印加しておく必要がある。また、そのような場合には、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１５内でも少なからず消費電力が発生することになる。
【０００８】
装着式動作補助装置において、補助力付与器具１０１はその目的に応じて複数の関節部分に沿って装着されるものであり、用いられるＤＣモータ１０３の数が多いほど、待機状態での消費電力は増大することになる。このような待機状態における消費電力は、一回の充電でのバッテリ１０１の使用期間を短縮させる原因になり得るため、装着式動作補助装置においては、待機状態での消費電力を低減することが極めて重要な問題となる。
【０００９】
本発明の発明者らはこのような問題に鑑みて、装着者の動作に関する意思の検出に用いる意思検出手段の検出信号を、補助力を付与する制御に用いるだけでなく、モータ側への電力供給回路の遮断又は接続の制御にも用いるようにすることでこのような問題を解決することができることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は、電力を必要とする状況において、適切な量の電力のみが使用されるようにして、省エネ効率を向上させることができる装着式動作補助装置、及び供給電力の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置であって、装着者に対する補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段と、意思検出手段により検出された装着者の意思に従って補助力が付与されるようにモータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、制御信号に基づいてモータに対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、を備えた装着式動作補助装置において、電力の供給源となるバッテリにより供給される電力を、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリにより供給される電力を、モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、意思検出手段によって装着者が動作を行おうとする意思が検出されない期間にモータ側への電力供給回路が遮断されるように供給電力のオン／オフ制御を行う電力供給制御手段と、を備えることを特徴とする装着式動作補助装置が提供され、上述した問題を解決することができる。
【００１１】
すなわち、本発明の装着式動作補助装置によれば、装着式動作補助装置の使用期間中において、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路を含む補助力付与制御系には常に電力が供給される一方、装着者が動作を行う意思がない期間中にはモータ側への電力供給回路が遮断されるようになる。したがって、モータやバッテリの寿命を向上させることができるとともに、電力が必要な状況において、適切な量の電力のみが使用されるようになり、省エネ効率を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、電力供給制御手段は、意思検出手段の検出信号の値と、補助力の付与の要否の境界値として設定された閾値と、を比較し、検出信号の値が閾値以下のときに電力供給回路を遮断させることが好ましい。
【００１３】
本発明において、電力供給制御手段が、意思検出手段による検出信号の値が所定の閾値以下のときに電力供給回路を遮断させることにより、意思検出手段や制御装置等の特性、あるいは装着者の動作の特性に応じて、モータへの供給電力の要否を正確に判定することができるようになる。
【００１４】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、電力供給制御手段は、検出信号の値が閾値以下となった状態で所定時間経過したときに電力供給回路を遮断させる一方、検出信号の値が閾値を超えたときには速やかに電力供給回路を接続させることが好ましい。
【００１５】
本発明において、電力供給回路を遮断させる際にこのように制御することにより、モータ側への電力供給回路の遮断及び接続が短期間で繰り返されることを防ぐことができるとともに、電力供給回路の遮断後、検出信号の値が閾値を超えたときに速やかに電力供給回路を接続させることにより、装着者の動作に遅れることなく適切に補助力を付与することができる。
【００１６】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、第２のＤＣ／ＤＣコンバータが、入力される指示信号に応じて電力供給回路の遮断又は接続を切り換え可能なオン／オフ制御部を備え、電力供給制御手段は、オン／オフ制御部に対してリモート信号を出力することが好ましい。
【００１７】
本発明において、電力供給制御手段が、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ内のオン／オフ制御部に対してリモート信号を出力することでモータ側への電力供給回路の遮断又は接続が切り換えられるようにすることにより、構成部品を増やすことなく、モータ側への電力供給回路の遮断又は接続を制御することができる。
【００１８】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、補助力付与制御手段と電力供給制御手段とが一つの制御装置として構成されることが好ましい。
【００１９】
本発明において、補助力付与制御手段と電力供給制御手段とが一つの制御装置として構成されることにより、既存の制御装置に電力供給制御の機能を追加することにより、モータ側への電力供給回路の遮断又は接続を制御可能な装着式動作補助装置を容易に構成することができる。
【００２０】
また、本発明の装着式動作補助装置を構成するにあたり、意思検出手段が、人体の筋電位信号を検出する手段、あるいは、人体の関節の角度、角速度、又は回転速度を検出する物理量センサであることが好ましい。
【００２１】
本発明において、意思検出手段が所定の手段又は物理量センサであることにより、装着者の動作に関する意思が比較的正確に検出され、モータ側への電力供給回路の遮断又は接続を正確に制御することができる。
【００２２】
また、本発明の別の態様は、人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置における供給電力の制御方法であって、装着者に対する補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段と、意思検出手段により検出された装着者の意思に従った補助力が付与されるようにモータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、制御信号に基づいてモータへの指示信号に対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、電力の供給源となるバッテリにより供給される電力を、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリにより供給される電力を、モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えた装着式動作補助装置における供給電力の制御方法において、意思検出手段による検出信号の値を所定の閾値と比較するステップと、検出信号の値が閾値以下のときにモータ側への電力供給回路を遮断するステップと、を備えることを特徴とする供給電力の制御方法である。
【００２３】
すなわち、本発明の装着式動作補助装置の供給電力の制御方法によれば、装着式動作補助装置の使用期間中において、意思検出手段、補助力付与制御手段及びモータ駆動回路を含む補助力付与制御系には常に電力が供給される一方、装着者が動作を行う意思がない期間中にはモータ側への供給電力回路を遮断させることができる。したがって、モータやバッテリの寿命を向上させることができるとともに、電力が必要な状況において、適切な量の電力のみが使用されるようになり、省エネ効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる装着式動作補助装置の回路図である。
【図２】補助力付与制御系の信号の流れについて説明するための図である。
【図３】電力供給制御系の信号の流れについて説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる供給電力の制御方法の具体例を示すフローチャート図である。
【図５】供給電力の制御方法の変更例を示すフローチャート図である。
【図６】装着式動作補助装置の変更例の回路図である。
【図７】本発明の実施例にかかる下肢補助用外骨格型ロボットの回路図である。
【図８】本発明の実施例にかかるＤＣモータ、モータ駆動回路、筋電位センサの仕様を示す図である。
【図９】従来の装着式動作補助装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の装着式動作補助装置及び供給電力の制御方法に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、以下の実施の形態は、本発明の一態様を示すものであって本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材が示され、適宜説明が省略されている。
【００２６】
１．装着式動作補助装置の全体的構成
図１は、本実施形態の装着式動作補助装置（以下、単に「補助装置」と称する。）１０の回路図を概略的に示している。図１において、破線の矢印は信号の流れを示しており、実線の矢印は電力の流れを示している。
【００２７】
この補助装置１０は、人体に装着されて用いられ、装着者の動作に従って、当該動作の作用方向への必要出力（以下、単に「補助力」と称する。）を適切に付与することで装着者の動作を補助するための装置である。このような補助装置１０は、下肢や腕、手などの関節部分の動作を補助する外骨格型ロボットや、歩行補助装置等に例示されるものである。
【００２８】
補助装置１０は、装着者に付与する補助力を発生するＤＣモータ１３を有する補助力付与器具１１と、装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段１５と、意思検出手段１５により検出された装着者の意思に従った補助力が付与されるようにＤＣモータ１３の制御信号Ｓｃを生成する補助力付与制御手段としての制御装置１７と、制御装置１７の制御信号Ｓｃに基づいてＤＣモータ１３に対して駆動信号Ｓｄを出力するモータ駆動回路１９とを備えている。後述するように、制御装置１７は、供給電力制御手段としての機能も有している。
【００２９】
また、補助装置１０は、電力の供給源となるバッテリ２１と、それぞれバッテリ２１から供給される電圧Ｖ１の電力を所定の電圧Ｖ２，Ｖ３に変換して供給する第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５とを備えている。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、意思検出手段１５、制御装置１７及びモータ駆動回路１９に対して、例えば５Ｖの電圧の電力を供給する。また、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、ＤＣモータ１３に対して、例えば２４Ｖの電圧の電力を供給する。
【００３０】
補助力付与器具１１は、腰や膝、肘、指等の関節部分に装着される器具であって、例えば、関節部分に位置するジョイント部１１ｃによって連結された第１のアーム１１ａと第２のアーム１１ｂとを備えて構成される。第１のアーム１１ａ及び第２のアーム１１ｂはそれぞれ関節を挟んだ両側の部位に固定される。
【００３１】
また、補助力を発生するＤＣモータ１３は、ＤＣモータ１３が正方向又は逆方向に回転することで、第１のアーム１１ａ及び第２のアーム１１ｂがジョイント部１１ｃを軸に回動するように、ジョイント部１１ｃに取り付けられている。例えば、下肢用の補助装置１０である場合には、左右の股関節及び膝関節それぞれにジョイント部１１ｃが位置するように構成され、計四つのＤＣモータ１３が備えられる。
【００３２】
このＤＣモータ１３は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によって駆動制御が行われるものであり、一定の周期ごとに、補助力付与制御系から指示される駆動信号（ＤＣレベル）Ｓｄの大きさに応じてパルス幅のデュ−ティ・サイクル（パルス幅のＨとＬの比）を変えることで、ＤＣモータ１３の出力トルクが制御されるようになっている。このＤＣモータ１３の出力トルクの大きさによって、装着者に付与される補助力の大きさが調節される。また、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介してＤＣモータ１３に供給される電力は、供給電力制御系によってそのオン／オフが制御されるようになっている。
【００３３】
意思検出手段１５は、装着者の動作に関する意思に応じた検出信号Ｓｅを制御装置１７に対して出力するものとして構成されている。例えば、装着者が動作を行う際に体内で発生する、筋に対する指令信号である筋電位信号（ＥＭＧ信号）を検出する筋電位センサが意思検出手段１５として用いられる。これ以外にも、関節の角度を検出する角度センサや、関節の動きの角速度を検出する角速度センサ、関節の回転速度を検出する回転速度センサ等に例示される、関節の動きを検出可能な物理量センサを用いることもできる。これらの筋電位センサや物理量センサの出力は、補助力付与器具１１が装着された関節等の動作を生じる直前に、あるいは、動作に伴って変動するようになっている。
【００３４】
制御装置１７は、公知のマイクロコンピュータや、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の記憶素子を中心に構成されたものであり、意思検出手段１５の検出信号Ｓｅに基づいて、補助力付与制御及び電力供給制御を行うように構成されている。制御装置１７は、補助力付与制御に関する演算結果の制御信号Ｓｃをモータ駆動回路１９に出力するとともに、電力供給制御に関する演算結果のリモート信号Ｓｒを第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５に出力する。
【００３５】
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、従来公知のＤＣ／ＤＣコンバータを適宜用いることができる。ただし、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５については、入力される指示信号に応じて電力供給回路を開閉（遮断／接続）するオン／オフ制御部としてのＩＣ２７を備えており、このオン／オフ制御用のＩＣ２７には、ＲＣピン２９を介して制御装置１７のリモート信号が入力されるようになっている。
【００３６】
２．補助力付与制御系
図２は、本実施形態の補助装置１０における補助力付与制御系の信号の流れを示している。本実施形態の補助装置１０において、補助力付与制御系は、意思検出手段１５、制御装置１７及びモータ駆動回路１９によって構成される。
【００３７】
制御装置１７は、意思検出手段１５の検出信号Ｓｅに基づいて、付与する補助力の大きさや向きを演算処理によって求め、モータ駆動回路１９に対して出力する制御信号Ｓｃを生成する。例えば、意思検出手段１５として筋電位センサを用いた場合、図２に示すように、制御装置１７に筋電位信号Ｓｅが入力されると、この筋電位信号Ｓｅは増幅器によって所定の増幅率（例えば１０００倍）で増幅されるとともにデジタル信号に変換される。また、デジタル化された筋電位の信号は、さらにローパスフィルタによって低帯域の信号が取り出されるとともにスムージング処理された後、ノーマライザによって基準化される。付与する補助力の大きさや向きは、このように処理された筋電位のデータ信号に基づいて求められる。ただし、筋電位信号Ｓｅの処理の方法はこの例に限られない。
【００３８】
そして、モータ駆動回路１９は、制御装置１７から出力される制御信号Ｓｃに基づいてＤＣモータ１３の駆動信号（ＤＣレベル）Ｓｄを生成し、ＤＣモータ１３に対して出力する。これにより、ＤＣモータ１３では駆動信号（ＤＣレベル）Ｓｄに基づいてその出力トルクや回転方向が制御され、装着者の動作に応じた補助力を発生させる。補助力付与制御において制御装置１７によって行われる具体的な演算処理の方法についてはすでに公知の方法を採用することができるために、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００３９】
３．電力供給制御系
（１）概略
図３は、本実施形態の補助装置１０における補助力付与制御系の信号の流れを示している。本実施形態の補助装置１０において、電力供給制御系は、意思検出手段１５、制御装置１７及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５によって構成される。
【００４０】
制御装置１７は、意思検出手段１５の出力に基づいて、電力供給回路の開閉の指示を演算処理によって求め、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５に対して出力するリモート信号Ｓｒを生成する。具体的には、上述の補助力付与制御系でも用いられた筋電位のデータ信号の値を閾値と比較し、データ信号の値が閾値を超えている場合には電力供給回路を接続するよう指示するリモート信号Ｓｒを生成し、データ信号の値が閾値以下の場合には電力供給回路を遮断するよう指示するリモート信号Ｓｒを生成する。
【００４１】
このときの閾値は、それぞれの補助装置１０の特性や、装着者の動作又は筋電位の特性等に応じて適宜設定、補正される値であり、通常、補助力付与制御系での演算処理において、ＤＣモータ１３によって装着者に付与する補助力を発生させるか否かの境界となる筋電位のデータ信号の値に相当する値に設定される。
【００４２】
そして、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５では、制御装置１７から出力されるリモート信号Ｓｒに基づいて、ＩＣ２７によって、電力供給回路の開閉制御が行われる。これにより、装着者が動作を行おうとする意思がない期間においては、ＤＣモータ１３への電力の供給が遮断され、この期間でのＤＣモータ１３での消費電力をゼロとすることができる。また、これに伴い、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５内においても、少なくとも電力供給回路を開閉する素子部分よりも下流側での消費電力もゼロとなる。
【００４３】
（２）具体的フロー
図４は、制御装置１７によって実行される電力供給制御の具体例を説明するためのフローチャート図を示している。以下の例では、意思検出手段１５として筋電位センサを用いた例を示している。
【００４４】
このフローチャートの例では、まず、ステップＳ１において、制御装置１７に筋電位センサの検出信号Ｓｅが入力されると、ステップＳ２において、制御装置１７は、検出信号Ｓｅの増幅処理、デジタル化処理、フィルタ処理、スムージング処理、基準化処理等を行い、筋電位のデータ信号を得る。
【００４５】
次いで、ステップＳ３において、制御装置１７は、ステップＳ２で得られた筋電位のデータ信号の値が閾値以下であるか否かを判別する。ステップＳ３でＹｅｓと判定された場合には、装着者が動作を行おうとする意思を有していないものと判断することができるために、制御装置１７は、ＤＣモータ１３への電力供給回路を遮断する指示信号を生成する。
【００４６】
一方、ステップＳ３でＮｏと判定された場合には、装着者が動作を行う意思を有していると判断することができるために、制御装置１７は、ＤＣモータ１３への電力供給回路を接続する指示信号を生成する。
【００４７】
そして、ステップＳ６において、制御装置１７は、電力供給回路の遮断又は接続を指示するリモート信号Ｓｒを第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５に対して出力し、スタートに戻る。その結果、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５のＩＣ２７は、ＲＣピン２９を介して入力されるリモート信号Ｓｒに応じて、電力供給回路を開閉する制御を実行する。これ以降は、再びステップＳ１以降の各ステップが繰り返し行われる。
【００４８】
このように本実施形態の補助装置１０によれば、意思検出手段１５の検出信号に基づいて電力供給制御を実行することにより、装着者が動作を行おうとする意思を有していない期間にはＤＣモータ１３における消費電力をゼロとすることができる。併せて、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５における電力供給回路の開閉を行う素子部分よりも下流側での消費電力もゼロとなる。したがって、電力が必要な状況において、適切な量の電力のみが使用されるようになり、省エネ効率の向上が図られる。併せて、一回の充電によるバッテリの使用期間を拡張することができるとともに、ＤＣモータ１３やバッテリ２１の寿命を向上させることができる。
【００４９】
特に、本実施形態の補助装置１０においては、意思検出手段１５の検出信号Ｓｅの値が所定の閾値以下のときに電力供給回路を遮断させるようになっており、意思検出手段１５や制御装置１７等の特性、あるいは装着者の動作の特性に応じて、ＤＣモータ１３への供給電力の要否を正確に判定することができる。
【００５０】
さらに、本実施形態の補助装置１０では、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５に備えられたＲＣピン２９及びＩＣ２７によって、ＤＣモータ１３側への電力供給回路の開閉を実行するようになっているとともに、補助力付与制御を行う制御装置１７が電力供給制御も行うようになっているために、構成部品を増やすことなく、ＤＣモータ１３側への電力供給回路の開閉制御を実行可能な補助装置１０を容易に構成することができるようになっている。
【００５１】
４．その他の変更例
これまでに説明した本発明の実施の形態は、以下のように変更して構成することもできる。
【００５２】
例えば、図５のフローチャート図に示すように、ＤＣモータ１３側への電力供給回路を遮断する場合に、筋電位のデータ信号の値が閾値以下となってからの経過時間が規定値を越えたか否かを判別するステップＳ７を設け、装着者が動作を行う意思を有していないと判断できる状態となってからの経過時間が規定値を超えた場合に、電力供給回路を遮断させるようにすることもできる。このようにすれば、極めて短時間の間だけ筋電位センサの出力がゼロになった場合においてＤＣモータ１３への電力の供給が停止することがなくなり、電力の供給及び停止が短時間の間に繰り返されることを防ぐことができる。
【００５３】
ただし、この場合であっても、ＤＣモータ１３側への電力供給回路を接続する場合には速やかに接続させることが好ましい。これにより、電力供給回路が遮断された状態から装着者が動作を行うときに、当該動作に遅れることなく適切な補助力を付与することができる。
【００５４】
あるいは、電力供給回路を遮断する際の閾値と接続する際の閾値とを異ならせることによっても、ＤＣモータ１３への電力の供給及び停止が繰り返されることを防ぐことができる。具体的には、電力供給回路を遮断する際の閾値を、接続する際の閾値よりも低くすることにより、ＤＣモータ１３への電力の供給及び停止が繰り返されることを防ぐことができる。
【００５５】
また、電力供給回路を開閉する手段に関して、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５とは別に、ＤＣモータ１３側への電力供給回路上にリレー素子を設けることもできる。図６は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の上流側にリレー素子３１を設け、制御装置１７のリモート信号によってリレー素子３１を開閉するように構成した補助装置５０を示している。このように構成された補助装置５０によっても、装着者が動作を行おうとする意思を有していない期間にＤＣモータ１３側への電力供給回路が遮断され、電力が必要な状況において、適切な量の電力のみが使用されるようにすることができる。この場合、リレー素子の配置位置は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の下流側であってもよい。
【００５６】
さらに、補助装置１０に複数のＤＣモータ１３が備えられている場合において、一つの第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５からすべてのＤＣモータ１３に対して電力を供給するように構成し、すべてのＤＣモータ１３によって補助力を付与する必要がないときに電力供給回路を遮断するように制御することができる。あるいは、ＤＣモータ１３ごとに独立して第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５から電力を供給するように構成し、それぞれのＤＣモータ２５ごとに電力供給回路を遮断するように制御することもできる。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明にかかる装着式動作補助装置の実施例について説明する。
【００５８】
図７は、本発明の装着式動作補助装置の実施例としての下肢補助用外骨格型ロボット（以下、単に「外骨格型ロボット」という。）１０Ａの回路図を示している。図７において、破線の矢印は信号の流れを示しており、実線の矢印は電力の流れを示している。
【００５９】
この外骨格型ロボット１０Ａは、左右の股関節及び膝関節の動作を補助するためのものであり、意思検出手段としての４個の筋電位センサ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄと、それぞれの関節部分に補助力を付与するための４個のＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄと、それぞれのＤＣモータを駆動する４個のモータ駆動回路１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄと、１台の制御装置１７とを備えて構成されている。
【００６０】
このうち、４個の筋電位センサ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄと、４個のモータ駆動回路１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄと、１台の制御装置１７とには、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３により電力が供給される。主電源となるバッテリ２１の供給電圧は３０Ｖであり、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２３は５Ｖの直流電圧を供給する。また、４個のＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄには第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５により電力が供給される。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５は２４Ｖの直流電圧を供給する。
【００６１】
この実施例の外骨格型ロボット１０Ａで用いられているＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ、筋電位センサ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ、モータ駆動回路１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄそれぞれの仕様は、図８に示すとおりである。
【００６２】
この外骨格型ロボット１０Ａは、ＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの出力トルクがゼロの状態においてもＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄへの電力の供給を遮断しない場合には、１個当たり約１．５ワットの電力消失を生じていた。
【００６３】
一方、ＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄすべての目標出力トルクがゼロの状態において第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２５によって電力供給回路を遮断した場合には、１個当たり約１．５ワット、全体で約６ワットの省エネルギーを達成できた。
また、この場合に、ＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの目標出力トルクがゼロを超えた場合において、ＤＣモータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの作動開始までの遅れ時間は約１０ｍｓであり、補助力の付与に遅れが出ないことも確認された。
【符号の説明】
【００６４】
１０：装着式動作補助装置、１１：補助力付与器具、１３：ＤＣモータ、１５：意思検出手段（筋電位センサ）、１７：制御装置、１９：モータ駆動回路、２１：バッテリ、２３：第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、２５：第２のＤＣ／ＤＣコンバータ、２７：ＩＣ、２９：ＲＣピン、３１：リレー素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置であって、
前記装着者に対する補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、
前記装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段と、
前記意思検出手段により検出された前記装着者の意思に従って補助力が付与されるように前記モータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、
前記制御信号に基づいて前記モータに対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、
を備えた装着式動作補助装置において、
電力の供給源となるバッテリにより供給される電力を、前記意思検出手段、前記補助力付与制御手段及び前記モータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記バッテリにより供給される電力を、前記モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記意思検出手段によって前記装着者が動作を行おうとする意思が検出されない期間に前記モータ側への電力供給回路が遮断されるように供給電力のオン／オフ制御を行う電力供給制御手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項２】
前記電力供給制御手段は、前記意思検出手段の検出信号の値と、前記補助力の付与の要否の境界値として設定された閾値と、を比較し、前記検出信号の値が前記閾値以下のときに前記電力供給回路を遮断させることを特徴とする請求項１に記載の装着式動作補助装置。
【請求項３】
前記電力供給制御手段は、前記検出信号の値が前記閾値以下となった状態で所定時間経過したときに前記電力供給回路を遮断させる一方、前記検出信号の値が前記閾値を超えたときには速やかに前記電力供給回路を接続させることを特徴とする請求項２に記載の装着式動作補助装置。
【請求項４】
前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータが、入力される指示信号に応じて前記電力供給回路の遮断又は接続を切り換え可能なオン／オフ制御部を備え、前記電力供給制御手段は、前記オン／オフ制御部に対してリモート信号を出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装着式動作補助装置。
【請求項５】
前記補助力付与制御手段と前記電力供給制御手段とが一つの制御装置として構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装着式動作補助装置。
【請求項６】
前記意思検出手段が、人体の筋電位信号を検出する手段、あるいは、人体の関節の角度、角速度、又は回転速度を検出する物理量センサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装着式動作補助装置。
【請求項７】
人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置における供給電力の制御方法であって、
前記装着者に対する補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、前記装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段と、前記意思検出手段により検出された前記装着者の意思に従った補助力が付与されるように前記モータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、前記制御信号に基づいて前記モータへの指示信号に対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、電力の供給源となるバッテリにより供給される電力を、前記意思検出手段、前記補助力付与制御手段及び前記モータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記バッテリにより供給される電力を、前記モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えた装着式動作補助装置における供給電力の制御方法において、
前記意思検出手段による検出信号の値を所定の閾値と比較するステップと、
前記検出信号の値が前記閾値以下のときに前記モータ側への電力供給回路を遮断するステップと、
を備えることを特徴とする供給電力の制御方法。
【請求項１】
人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置であって、
前記装着者に対する補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、
前記装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段と、
前記意思検出手段により検出された前記装着者の意思に従って補助力が付与されるように前記モータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、
前記制御信号に基づいて前記モータに対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、
を備えた装着式動作補助装置において、
電力の供給源となるバッテリにより供給される電力を、前記意思検出手段、前記補助力付与制御手段及び前記モータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記バッテリにより供給される電力を、前記モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記意思検出手段によって前記装着者が動作を行おうとする意思が検出されない期間に前記モータ側への電力供給回路が遮断されるように供給電力のオン／オフ制御を行う電力供給制御手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項２】
前記電力供給制御手段は、前記意思検出手段の検出信号の値と、前記補助力の付与の要否の境界値として設定された閾値と、を比較し、前記検出信号の値が前記閾値以下のときに前記電力供給回路を遮断させることを特徴とする請求項１に記載の装着式動作補助装置。
【請求項３】
前記電力供給制御手段は、前記検出信号の値が前記閾値以下となった状態で所定時間経過したときに前記電力供給回路を遮断させる一方、前記検出信号の値が前記閾値を超えたときには速やかに前記電力供給回路を接続させることを特徴とする請求項２に記載の装着式動作補助装置。
【請求項４】
前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータが、入力される指示信号に応じて前記電力供給回路の遮断又は接続を切り換え可能なオン／オフ制御部を備え、前記電力供給制御手段は、前記オン／オフ制御部に対してリモート信号を出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装着式動作補助装置。
【請求項５】
前記補助力付与制御手段と前記電力供給制御手段とが一つの制御装置として構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装着式動作補助装置。
【請求項６】
前記意思検出手段が、人体の筋電位信号を検出する手段、あるいは、人体の関節の角度、角速度、又は回転速度を検出する物理量センサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装着式動作補助装置。
【請求項７】
人体に装着されて装着者の動作を補助するために用いられる装着式動作補助装置における供給電力の制御方法であって、
前記装着者に対する補助力を付与するためのモータを有する補助力付与器具と、前記装着者の動作に関する意思の検出に用いられる意思検出手段と、前記意思検出手段により検出された前記装着者の意思に従った補助力が付与されるように前記モータの制御信号を生成する補助力付与制御手段と、前記制御信号に基づいて前記モータへの指示信号に対して指示信号を出力するモータ駆動回路と、電力の供給源となるバッテリにより供給される電力を、前記意思検出手段、前記補助力付与制御手段及び前記モータ駆動回路に対して供給するための第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記バッテリにより供給される電力を、前記モータに対して供給するための第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えた装着式動作補助装置における供給電力の制御方法において、
前記意思検出手段による検出信号の値を所定の閾値と比較するステップと、
前記検出信号の値が前記閾値以下のときに前記モータ側への電力供給回路を遮断するステップと、
を備えることを特徴とする供給電力の制御方法。
【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２０１２−１２５４７７（Ｐ２０１２−１２５４７７Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８１１５１（Ｐ２０１０−２８１１５１）
【出願日】平成２２年１２月１７日（２０１０．１２．１７）
【出願人】（０００００３３３３）ボッシュ株式会社 (510)
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１７日（２０１０．１２．１７）
【出願人】（０００００３３３３）ボッシュ株式会社 (510)
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