JP6569518B2 - アシスト装置 - Google Patents

Description

本発明は、人の作業等をアシストするアシスト装置に関する。

例えば、人の歩行等をアシストするアシスト装置が特許文献１、２等に記載されている。特許文献１に記載の片脚式歩行支援機は、人の腰に装着される腰装着部と、大腿リンク部と、下腿リンク部とを備えており、前記下腿リンク部が人の下腿部に装着される構成である。前記大腿リンク部の上部は、前記腰装着部に対して上下回動可能に連結されており、前記腰装着部と前記大腿リンク部との間に、前記大腿リンク部に対して回転トルクを付与するためのトルク発生装置が設けられている。即ち、前記トルク発生装置の回転トルクが前記大腿リンク部に加わることで、歩行支援が行なわれる。前記トルク発生装置は、圧縮バネと、カム及びカムフォロアとの働きにより、前記大腿リンク部に対して回転トルクを付与できるように構成されている。また、前記トルク発生装置は、工具を使用して圧縮バネの圧縮量（バネ力）を調整できるように構成されている。

特開２０１３−２３６７４１号公報 特開２０１３−１７３１９０号公報

上記した片脚式歩行支援機では、工具を使用してトルク発生装置の圧縮バネの圧縮量を調整する構成のため、歩行途中に前記大腿リンク部の回動角度に応じて圧縮バネのバネ力を調整することはできない。このため、高効率で歩行アシストを行なうのは難しい。

特許文献２に記載のアシスト装置は、モータ等のトルク発生装置による回転トルクが大腿リンク部等に加わることで、人の動作をアシストできるように構成されている。このように、トルク発生装置としてモータ等を使用する構成では、負荷が大きい場合に大きな出力のモータ等が必要になり、消費電力を抑えるのが難しい。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、高効率でアシスト作業を行なえるようにするとともに、消費電力を抑えることである。

上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。請求項１の発明は、身体に装着される身体装着具と、弾性体を備え、剛性を変えられるように構成された可変剛性機構と、人の関節に対応する前記身体装着具の所定位置に前記可変剛性機構を介して回動中心部が連結されており、回動自由端側が前記関節を中心に回動する身体の一部に装着される出力リンクと、前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる剛性可変アクチュエータと、前記出力リンクの回動角度を検出する角度検出手段と、人が物体から質量を受ける位置と、前記出力リンクの回動中心間の距離を測定する距離測定手段と、前記角度検出手段による検出角度と前記距離測定手段による測定距離とに基づいて前記剛性可変アクチュエータを制御する制御装置とを有しており、前記制御装置は、人の負荷が軽減されるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。

本発明によると、制御装置は、出力リンクの回動角度と、人が物体から質量を受ける位置と前記出力リンクの回動中心間の測定距離とに基づいて、剛性可変アクチュエータを制御する。そして、制御装置は、剛性可変アクチュエータを制御することで、人の負荷が軽減されるように出力リンクから見た可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる。これにより、出力リンクには、可変剛性機構の見かけの剛性に対応した弾性力によって生じるアシストトルクが加わるようになる。即ち、制御装置は、アシスト装置の動作中に剛性可変アクチュエータにより出力リンクから見た可変剛性機構の見かけの剛性を変化させることができる。このため、手動で弾性体の剛性を調整する従来のアシスト装置と比較して、高効率でアシスト作業を行なえるようになる。また、可変剛性機構の見かけの剛性を変化させて出力リンクに加わるアシストトルクを制御する構成のため、モータによる回転トルクを出力リンクの回動方向に付加する従来のアシスト装置と比較して消費電力を抑えることができる。

請求項２の発明によると、距離測定手段は、人が物体から質量を受ける位置に装着される第１の加速度センサと、出力リンクの回動中心に取付けられた第２の加速度センサと、前記第１の加速度センサと前記第２の加速度センサとの検出値に基づいて、前記第１の加速度センサと前記第２の加速度センサ間の距離を演算する演算手段とを有している。このため、出力リンクの回動中心から人が物体から質量を受ける位置までの距離をアシスト作業中に連続して測定できる。

請求項３の発明によると、可変剛性機構の弾性体は、出力リンクの回動中心と同軸に設けられた渦巻きバネであり、前記渦巻きバネの一端側は、前記剛性可変アクチュエータ側に連結され、前記渦巻きバネの他端側は、前記出力リンク側に連結されており、前記剛性可変アクチュエータは、前記渦巻きバネの一端側の回転角度を変えることで前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変える。このため、出力リンクから見た可変剛性機構の見かけの剛性を変えるための制御が比較的容易になる。

請求項４の発明によると、渦巻きバネと出力リンクとの間には、前記渦巻きバネの他端側の回動角度に対し、前記出力リンクの回動角度を所定比率で小さく保持する減速機が設けられている。

請求項５の発明によると、第１の加速度センサを人の手首に装着する手首装着具を備えている。このため、第１の加速度センサを人が物体から質量を受ける位置に確実に保持できる。

請求項６の発明によると、出力リンクの回動中心が人の肩関節に対応する位置に保持され、前記出力リンクの回動自由端側が上腕部に装着される。このため、上腕部を持ち上げる際の負荷が軽減される。

請求項７発明によると、出力リンクの回動中心が人の股関節に対応する位置に保持され、前記出力リンクの回動自由端側が大腿部に装着される。このため、荷物等の持ち上げ動作で人が中腰から立ち上り動作の負荷が軽減される。

本発明によると、高効率でアシスト作業を行なえるようになる。また、消費電力も抑えることができる。

本発明の実施形態１に係るアシスト装置の使用状態を表わす模式側面図である。 前記アシスト装置の出力リンクと可変剛性機構等を表す模式平面図（図１のII-II矢視図）である。 前記アシスト装置の出力リンクと可変剛性機構等を表わす模式分解斜視図である。 前記アシスト装置の配線ブロック図である。 前記アシスト装置の使用状態を表わす模式側面図である。 前記アシスト装置の出力リンク等を表わす模式拡大図である。 前記アシスト装置の可変剛性機構等を表わす分解斜視図である。 本発明の実施形態２に係るアシスト装置の使用状態を表わす模式側面図である。 前記アシスト装置の使用状態において仮想質量ｍ_ｈと慣性モーメントＪ_Ｂとを演算するために使用される側面図である。

［実施形態１］
以下、図１から図７に基づいて本発明の実施形態１に係るアシスト装置１０について説明する。本実施形態に係るアシスト装置１０は、人が荷物Ｗを持ち上げる際に、上腕部の上回動をアシストする装置である。ここで、図中に示すｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向は、アシスト装置１０を装着した人の前方向、上方向、及び左方向に対応している。

＜アシスト装置１０の概要について＞
アシスト装置１０は、図１に示すように、人の上体に装着される上体装着具１２と、前記上体装着具１２の背面上部に設けられた支持架台部１４とを備えている。支持架台部１４は、図２に示すように、上体装着具１２の背面上部で左右に延びるように設けられた横梁部１４ｚと、その横梁部１４ｚの左右両側で前記横梁部１４ｚに対してほぼ直角に設けられた側板部１４ｘとを備えている。そして、支持架台部１４の側板部１４ｘには、図２に示すように、人の肩関節に対応する位置、即ち、人の肩関節とｘｙ方向においてほぼ同位置に軸受孔１４ｊが形成されている。

前記支持架台部１４の横梁部１４ｚと側板部１４ｘとの左右の角部内側には、図２に示すように、左右一対の可変剛性機構２０（後記する）が設けられている。前記可変剛性機構２０は、ｚ方向に沿って設けられており、その可変剛性機構２０の入力軸２２ｅが支持架台部１４の側板部１４ｘの軸受孔１４ｊに挿通されている。可変剛性機構２０の入力軸２２ｅには、支持架台部１４の側板部１４ｘの外側に固定されたモータ４０の回転軸４１が同軸に連結されている。即ち、可変剛性機構２０は、入力軸２２ｅの軸心を中心に回動可能な状態で支持架台部１４に支持されている。

また、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐには、図２、図３に示すように、棒状の出力リンク３０の基端部（回動中心部）が相対回転不能な状態で連結されている。即ち、出力リンク３０の回動中心部は、人の肩関節に対応する支持架台部１４の軸受孔１４ｊの位置に可変剛性機構２０を介して上下回動可能な状態で連結されている。出力リンク３０は、人の上腕部の外側面に沿って配置されるリンクであり、その出力リンク３０の先端側（回動自由端側）が上腕装着具３５によって人の上腕部に装着されるように構成されている。即ち、上記した上体装着具１２と支持架台部１４とが本発明における身体装着具に相当する。

出力リンク３０の回動中心部には、図２、図３等に示すように、出力リンク３０の回動角度を検出する角度検出器４３と、第２加速度センサ４６とが取付けられている。また、アシスト装置１０は、図１に示すように、手首装着具３７を備えており、その手首装着具３７に第１加速度センサ４４が取付けられている。さらに、アシスト装置１０は、図１等に示すように、上体装着具１２の背面に取付けられる制御ボックス５０を備えている。

＜可変剛性機構２０について＞
可変剛性機構２０は、出力リンク３０から見た見かけの剛性を変えられるように構成された機構であり、図３に示すように、入力部２２と、渦巻きバネ２４と、減速機２６とを備えている。入力部２２は、前記モータ４０の回転を渦巻きバネ２４に伝達するための部分である。入力部２２は、モータ４０の回転軸４１が相対回転不能な状態で連結される入力軸２２ｅと、その入力軸２２ｅと同軸に設けられた円板部２２ｒと、入力軸２２ｅの反対側で円板部２２ｒの周縁に設けられたトルク伝達軸２２ｐとを備えている。そして、入力部２２のトルク伝達軸２２ｐが渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅに連結されている。

可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４は、図３に示すように、帯状の板バネを渦巻状に成形したバネであり、中心側と外周側にバネ端部２４ｙ，２４ｅを備えている。渦巻きバネ２４は、中心側バネ端部２４ｙに対する外周側バネ端部２４ｅの回動角度を変えることでバネ力を調整できるように構成されている。ここで、前記渦巻きバネ２４のバネ定数は、例えば、ｋ₁に設定されている。上記したように、渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅは、入力部２２のトルク伝達軸２２ｐに相対回転不能な状態で連結されている。また、渦巻きバネ２４の中心側バネ端部２４ｙは、減速機２６の入力回転軸２６ｅに相対回転不能な状態で連結されている。ここで、入力部２２と減速機２６の入力回転軸２６ｅとは同軸に保持されている。即ち、前記渦巻きバネ２４が本発明の弾性体に相当する。

減速機２６は、渦巻きバネ２４のバネ力に起因する回転トルクを増幅して出力リンク３０に伝達する部材である。減速機２６は、入力回転軸２６ｅと、出力回転軸２６ｐと、入力回転軸２６ｅと出力回転軸２６ｐ間に設けられたギヤ機構（図示省略）等とを備えている。減速機２６の入力回転軸２６ｅと出力回転軸２６ｐとは同軸に保持されており、入力回転軸２６ｅがｎ回転することで、出力回転軸２６ｐが１回転するように構成されている。また、減速機２６のトルク伝達効率はηに設定されている。

減速機２６の出力回転軸２６ｐの中心には、図３に示すように、出力リンク３０の回転中心ピン（図示省略）が嵌合される位置決め孔２６ｕが形成されている。さらに、出力回転軸２６ｐの位置決め孔２６ｕの周囲には、出力リンク３０の回り止めピン３１が挿入される回り止め孔２６ｋが形成されている。これにより、出力リンク３０は、減速機２６の出力回転軸２６ｐと一体で回転できるようになる。

＜制御ボックス５０について＞
制御ボックス５０は、図１に示すように、上体装着具１２の背面に取付けられるボックスである。制御ボックス５０には、図４に示すように、コントローラユニット５２とドライバユニット５４と電源ユニット５６とが収納されている。コントローラユニット５２は、モータ４０の回転角度を制御するユニットである。ドライバユニット５４は、モータ４０を駆動させるユニットであり、コントローラユニット５２からの信号に基づいて動作する。電源ユニット５６は、コントローラユニット５２とドライバユニット５４に対して電力を供給するユニットである。

コントローラユニット５２には、図４に示すように、手首に装着される第１加速度センサ４４と、出力リンク３０の回動中心部に取付けられた第２加速度センサ４６との信号が入力される。コントローラユニット５２は、第１加速度センサ４４と第２加速度センサ４６の検出値のｘ成分を二重積分して差をとることで、出力リンク３０の回動中心部と手首間のｘ方向の距離Ｌ（図５参照）を演算する。また、コントローラユニット５２には、出力リンク３０の回動角度θを検出する角度検出器４３の信号が入力される。さらに、コントローラユニット５２には、ドライバユニット５４からモータ４０の負荷電流Ｉの信号が入力される。コントローラユニット５２は、モータ４０の負荷電流Ｉの信号から人が持つ荷物Ｗの質量ｍ_W等を演算する。なお、ドライバユニット５４等には、負荷電流Ｉの測定用のセンサ等が設けられており、前記負荷電流Ｉの測定が可能になっている。

コントローラユニット５２は、出力リンク３０の回動中心部と手首間の距離Ｌと、出力リンク３０の回動角度θと、荷物Ｗの質量ｍ_W等の値に基づいて、人の作業負荷が最小になるように、モータ４０の回転角度θ₁を制御する。モータ４０の回転軸４１が角度θ₁だけ回転すると、図７等に示すように、可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅが同じく角度θ₁だけ回転する。これにより、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rが変化して、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐから出力リンク３０に加わる回転トルクτ（以下、アシストトルクτという）が制御される。

即ち、前記コントローラユニット５２が本発明の制御装置に相当し、前記モータ４０が本発明の剛性可変アクチュエータに相当する。また、第１加速度センサ４４と第２加速度センサ４６、及びコントローラユニット５２が本発明の距離測定手段に相当し、コントローラユニット５２が本発明の距離測定手段における演算手段に相当する。

＜アシスト装置１０におけるモータ４０の回転角度θ₁の演算手順について＞
次に、上記したアシスト装置１０においてモータ４０の回転角度θ₁を演算する手順について説明する。ここで、モータ４０の回転角度θ₁を演算するプログラムはコントローラユニット５２のメモリ（図示省略）に格納されている。図５に示すように、人の上腕部の長さ寸法をＬ₁とし、前腕部の長さ寸法をＬ_２とする。また、上腕部の質量をｍ₁とし、前腕部の質量をｍ_２とする。これらの値は、コントローラユニット５２に予め入力されている。この状態で、先ず、上腕部の角度、即ち、アシスト装置１０の出力リンク３０の角度（鉛直線に対する角度）θが角度検出器４３により検出される。また、第１加速度センサ４４と第２加速度センサ４６との検出値のｘ成分に基づいて出力リンク３０の回動中心と手首間のｘ方向の距離Ｌ（以下、トルク半径Ｌという）が演算される。即ち、トルク半径Ｌは［数１］の計算式に示すように、第１加速度センサ４４の検出値ｘ1と第２加速度センサ４６の検出値ｘ2とをそれぞれ二重積分して差を取ることで求められる。

次に、モータ４０の回転角度θ₁を演算する準備として、手首の位置に集中的に加わる上腕部と前腕部とによる仮想質量ｍ_hを求める手順を説明する。図５に示すように、上腕部の角度をθ（角度検出器４３の検出値）、前腕部の角度をθ₂とすると、トルク半径Ｌは、上腕部の長さ寸法Ｌ₁×sinθと前腕部の長さ寸法Ｌ_２×sinθ₂との和で表わされる。即ち、Ｌ＝Ｌ₁×sinθ＋Ｌ_２×sinθ₂ このため、前腕部の角度θ₂は、θ₂＝sin^-1（（Ｌ−Ｌ₁×sinθ）÷Ｌ_２）で表わされる。
出力リンク３０の回動中心に加わる重力による回転トルクをτ_Gとすると、回転トルクτ_G＝仮想質量ｍ_hｇ×トルク半径Ｌで表わされる。
また、前記回転トルクτ_Gは、上腕部の肩関節から重心までの距離を1/2Ｌ₁、前腕部の肘関節から重心までの距離を1/2Ｌ_２とすると、ｍ₁ｇ×1/2Ｌ₁×sinθと、ｍ_２ｇ×（Ｌ₁×sinθ＋1/2Ｌ_２×sinθ₂）との和で表わされる。したがって、前記仮想質量ｍ_hは、
ｍ_h＝（ｍ₁×1/2Ｌ₁×sinθ＋ｍ_２×（Ｌ₁×sinθ＋1/2Ｌ_２×sinθ₂））÷Ｌで表わされる。

次に、モータ４０の負荷電流Ｉから荷物Ｗの質量ｍ_Wを求める手順を説明する。モータの発生トルクτ_Mは、トルク定数をκとすると、
τ_M＝トルク定数κ×負荷電流Ｉで表わされる。
また、荷物Ｗを持ち上げる際のモータの発生トルクτ_Mは、上肢を持ち上げるための回転トルクτ_G＝（仮想質量ｍ_hｇ×トルク半径Ｌ）と、荷物Ｗを持ち上げるための回転トルクτ_W＝（荷物Ｗの質量ｍ_Wｇ×トルク半径Ｌ）との和で表わされる。
このため、（荷物Ｗを持ち上げるための回転トルクτ_W）＝（モータの発生トルクτ_M）−（上肢を持ち上げるための回転トルクτ_G）となる。
即ち、（荷物Ｗの質量ｍ_Wｇ×トルク半径Ｌ）＝（トルク定数κ×負荷電流Ｉ）−（仮想質量ｍ_hｇ×トルク半径Ｌ）となる。
したがって、荷物Ｗの質量ｍ_Wは、ｍ_W＝（κ×Ｉ−ｍ_hｇ×Ｌ）÷Ｌで表わされる。そして、手首に集中的に加わる質量ｍは、ｍ＝（仮想質量ｍ_h＋荷物Ｗの質量ｍ_W）で表わされる。

次に、質量ｍ₁の上腕部と質量ｍ_２の前腕部とを肩関節の周りに回転させた場合の慣性モーメントＪを求める手順を説明する。上腕部の肩関節から重心までの距離を上腕部の長さ寸法Ｌ₁の1/2と仮定する。同様に、前腕部の肘関節から重心までの距離を前腕部の長さ寸法Ｌ₂の1/2と仮定する。このとき、肩関節中心を原点とする上腕部の重心の座標は次のようになる。
即ち、Ｌ_1g＝（Ｌ_1gx，Ｌ_1gy）＝（1/2×Ｌ₁×sinθ，−1/2×Ｌ₁×cosθ）
ここで、Ｌ_1gは、肩関節中心（原点）から上腕部の重心までの距離である。
また、肩関節中心を原点とする前腕部の重心の座標は次のようになる。
即ち、Ｌ_2g＝（Ｌ_2gx，Ｌ_2gy）
＝（Ｌ₁×sinθ＋1/2×Ｌ₂×sinθ₂，−Ｌ₁×cosθ＋1/2×Ｌ₂×cosθ₂）
ここで、Ｌ_2gは、肩関節中心（原点）から前腕部の重心までの距離である。

上腕部の重心の座標と前腕部の重心の座標とから上肢全体の重心の座標を表わすと次のようになる。即ち、上肢全体の重心の座標は、Ｌ_g＝（Ｌ_gx，Ｌ_gy）
＝（（ｍ₁Ｌ_1gx＋ｍ_２Ｌ_2gx）／（ｍ₁＋ｍ_２），（ｍ₁Ｌ_1gy＋ｍ_２Ｌ_2gy）／（ｍ₁＋ｍ_２））で表わされる。ここで、│Ｌ_g│を、肩関節中心（原点）から上肢全体の重心までの距離として、［数２］に示す式により求められる。

肩関節周りの慣性モーメントＪは、質量（ｍ₁＋ｍ_２）の一様な棒を回転させると仮定すれば、平行軸の定理により、次の式で表される。
慣性モーメントＪ＝1/12×（ｍ₁＋ｍ_２）×（2│Ｌ_g│）²＋（ｍ₁＋ｍ_２）×（│Ｌ_g│）²

次に、モータ４０の回転角度θ₁を演算する手順を、図６、図７に基づいて、具体的に説明する。図６に示すように、出力リンク３０の回動中心Ｃから手首（第１加速度センサ４４）までのｘｙ平面上の直線距離をＬ₀とし、手首の位置に集中的に質量ｍが加わっているものとして以下の演算を行なう。質量ｍは、上記したように、ｍ＝（仮想質量ｍ_h＋荷物Ｗの質量ｍ_W）である。この状態で、上腕部と出力リンク３０とを上方に角度θだけ回動させる際に必要なトルクＴを計算する。

肩関節周りの慣性モーメントＪに起因するトルクは、［数３］に示す値となる。

また、回動動作における人の粘性をｄとすると、粘性ｄに起因するトルクは、［数４］に示す値となる。

また、図７に示すように、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性をｋ_Rとし、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐが中立点θ₀から角度θだけ回転した場合のトルクτは、τ＝ｋ_R×（θ−θ₀）で表わされる。なお、中立点θ₀は可変剛性機構２０がトルクを発生しない角度である。
さらに、質量ｍによるトルクは、ｍｇ×Ｌ₀×sinθで表わされる。
このため、上腕部と出力リンク３０とを上方に角度θだけ回動させる際に必要なトルクＴは、［数５］に示す式で表される。

次に、系のエネルギーＥの総和を求める。
先ず、慣性モーメントＪに起因するエネルギーは、［数６］に示す式で表される。

また、可変剛性機構２０の弾性エネルギーは、1/2×ｋ_R×（θ−θ₀）²で表わされる。
さらに、位置エネルギーは、ｍｇ×Ｌ₀×（１−cosθ）で表わされる。
このため、系のエネルギーＥの総和は、［数７］に示す式で表される。

次に、系のエネルギーＥを最小にする条件を求める。系のエネルギーＥが最小になる条件は、エネルギーＥの時間による微分値が零になることである。このため、［数７］に示す式を微分する。［数７］の式を微分すると、［数８］に示す式となる。

このため、系のエネルギーＥを最小にする条件は、［数９］の式に示すようになる。

そして、［数９］の式を整理して、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐの中立点θ₀を求めると、［数１０］の式に示すようになる。

即ち、中立点θ₀を、［数１０］の式に示す角度に調整することで、系のエネルギーＥを最小にできる。即ち、人の作業負荷を最小にできる。

次に、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_R（以下、見かけの剛性ｋ_Rという）を渦巻きバネ２４の実際のバネ定数ｋ₁で表わす手順を説明する。ここで、最初に、中立点θ₀が、原点（θ₀＝0）に保持されているものと仮定して演算を行なう。図７に示すように、減速機２６の減速比がｎ：１であるため、出力リンク３０、及び減速機２６の出力回転軸２６ｐが角度θだけ回転すると減速機２６の入力回転軸２６ｅはｎθだけ回転する。このため、出力リンク３０等が角度θだけ回転している状態で、減速機２６の入力回転軸２６ｅに加わるトルクτ₁は、渦巻きバネ２４のバネ定数ｋ₁×ｎθで表わされる。即ち、τ₁＝ｋ₁×ｎθとなる。また、減速機２６の減速比がｎ：１、効率がηであるため、減速機２６の出力回転軸２６ｐに加わる回転トルクτは、τ＝ηｎτ₁＝ηｎ（ｋ₁×ｎθ）となる。減速機２６の出力回転軸２６ｐに加わる回転トルクτは、出力リンク３０に加わるアシストトルクτであり、上記したようにτ＝ｋ_Rθで表わされる（［数５］参照）。このため、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rは、ｋ_R＝ηｎ²ｋ₁で表わされる。

次に、モータ４０側から見た可変剛性機構２０（渦巻きバネ２４）の中立点をモータ４０により角度θ₁だけ回動させた場合を考える。この場合、出力リンク３０等が角度θだけ回転している状態で、減速機２６の入力回転軸２６ｅに加わるトルクτ₁は、τ₁＝ｋ₁×（ｎθ＋θ₁）で表わすことができる。このため、減速機２６の出力回転軸２６ｐに加わるアシストトルクτは、τ＝ηｎｋ₁（ｎθ＋θ₁）＝ηｎ²ｋ₁（１＋θ₁／ｎθ）×θで表わすことができる。したがって、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rは、ｋ_R＝ηｎ²ｋ₁（１＋θ₁／ｎθ）となる。即ち、モータ４０の回転角度θ₁を制御することで可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを変化させ、アシストトルクτを制御することができる。

上記したように、モータ４０側から見た可変剛性機構２０の中立点を角度θ₁だけ動かしているため、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐの中立点θ₀は、θ₁＝ｎθ₀で表わされる。この式を、上記した見かけの剛性ｋ_Rの式に代入すると、ｋ_R＝ηｎ²ｋ₁（１＋θ₀／θ）となる。次に、この式を上記した［数１０］の式に代入すると、次の［数１１］の式が得られる。

そして、［数１１］の式の両辺にθ₀を乗じて整理すると、［数１２］式が得られる。

さらに、［数１２］式を整理して［数１３］式が得られる。

ここで、上記したように、Ｌ₀は、出力リンク３０の回動中心Ｃから手首（第１加速度センサ４４）までの直線距離である。このため、Ｌ₀×sinθは、手首の第１加速度センサ４４と出力リンク３０の第１加速度センサ４４とにより求めたトルク半径Ｌに等しくなる。このため、［数１３］式のＬ₀×sinθをＬに置き換えると、［数１４］に示す式で表される。

ここで、モータ４０側から見た可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４の中立点θ₁は、ｎθ₀で表わされるため、［数１４］の式は、［数１５］に示すように書き改めることができる。

アシスト装置１０のコントローラユニット５２は、モータの回転角度がθ₁となるように制御する。これにより、可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅが角度θ₁となるように回転する。この結果、系のエネルギーＥが最小になるように、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rが調整されて、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐから出力リンク３０に加わるアシストトルクτが制御される。即ち、人が荷物Ｗを持ち上げる際には、上腕部を持ち上げる方向に可変剛性機構２０のアシストトルクτが出力リンク３０に対して加わるようになる。これにより、人の作業負荷が軽減される。

＜本実施形態に係るアシスト装置１０の長所について＞
前記アシスト装置１０によると、コントローラユニット５２（制御装置）は、出力リンク３０の回動角度θと、人が荷物Ｗから質量を受ける位置と出力リンク３０の回動中心Ｃ間の距離Ｌ（トルク半径Ｌ）とに基づいて、モータ４０（剛性可変アクチュエータ）を制御する。そして、コントローラユニット５２は、モータ４０を制御することで、人の負荷が最小となるように出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを変化させる。即ち、コントローラユニット５２は、アシスト装置１０の動作中にモータ４０により出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを変化させることができる。このため、手動で弾性体の剛性を調整する従来のアシスト装置と比較して、高効率でアシスト作業を行なえるようになる。また、可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rを制御することで出力リンク３０に加わるアシストトルクτを制御する構成のため、モータによる回転トルクを出力リンクの回動方向に付加する従来のアシスト装置と比較して消費電力を抑えることができる。

また、第１加速度センサ４４と第２加速度センサ４６とにより、トルク半径Ｌを演算する構成のため、アシスト作業中に連続してトルク半径Ｌを測定できる。また、渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅの回転角度を変えることで出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性を変えるため、可変剛性機構２０の剛性を変えるための制御が比較的容易になる。

［実施形態２］
次に、実施形態２に係るアシスト装置６０について、図８、図９に基づいて説明する。実施形態２のアシスト装置６０は、出力リンク３０の回動中心が人の股関節に対応する位置に保持され、出力リンク３０の回動自由端側が大腿部に装着される構成である。ここで、実施形態２のアシスト装置６０における可変剛性機構２０、制御ボックス５０、第１加速度センサ４４、第２加速度センサ４６、及び角度検出器４３は実施形態１のアシスト装置１０で使用されたものと同様であるため、同一番号を付して説明を省略する。実施形態２のアシスト装置６０は、上体装着具６２を備えており、その上体装着具６２の腰周りの位置に支持架台部６４が設けられている。そして、支持架台部６４における股関節に対応する位置に可変剛性機構２０が設けられている。また、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐに出力リンク３０が連結されている。

実施形態２に係るアシスト装置６０では、実施形態１に係るアシスト装置１０の場合と同様に、第１加速度センサ４４と第２加速度センサ４６との検出値のｘ成分からトルク半径Ｌを演算する。また、手首の位置に集中的に加わる質量ｍ_B、即ち、ｍ_B＝（仮想質量ｍ_h＋荷物Ｗの質量ｍ_W）を求め、さらに股関節周りの慣性モーメントＪ_Bを演算する。

先ず、仮想質量ｍ_hを求める手順について説明する。図９に示すように、股関節Ａ、肩関節Ｂ、肘関節Ｃ、手首Ｄを結ぶ四角形を考え、辺ＡＢの長さをＬ₃、辺ＤＡの長さをＬ₄、辺ＡＢと辺ＤＡのなす角度をζ₁、辺ＡＢと辺ＢＣがなす角度をζ₂、辺ＣＤと辺ＤＡがなす角度をζ₃とする。また、大腿部と辺ＡＢがなす角度をΦ₁、大腿部とｙ軸がなす角度Φ₂、辺ＤＡとｘ軸がなす角度をΦ₃とする。また、肩関節と手首を結ぶ線分と辺ＢＣがなす角度をΨ₂、肩関節と手首とを結ぶ線分と辺ＣＤがなす角度をΨ₃とする。
辺ＤＡの長さＬ₄は、第１加速度センサ４４のｘ成分、ｙ成分、及び第2加速度センサ４６のｘ成分、ｙ成分を用いて、［数１６］に示す式により求められる。

また、Φ₁は、股関節の角度検出器４３の値により求められる。Φ₂は股関節のｘｙ座標系に対する回転角度であり、第２加速度ゼンサ４６のｚ軸まわりの角加速度成分を用いて［数１７］に示す式により求められる。

また、Φ₃は、第１加速度センサ４４のｘ成分、ｙ成分、第２加速度センサ４６のｘ成分、ｙ成分を用いて、［数１８］に示す式により求められる。

また、ζ₁は、Φ₁、Φ₂、Φ₃を用いて［数１９］に示す式により求められる。

三角形ＡＢＤに余弦定理を適用すると、線分ＢＤの長さａは、［数２０］に示す式で求められる。

さらに、三角形ＢＣＤに余弦定理を適用すれば、Ψ₂、Ψ₃は、［数２１］に示す式で求められる。

次に三角形ＡＢＤに正弦定理を適用することで、ζ₂、ζ₃は、［数２２］に示す式で求められる。

頭部を含む上半身の質量ｍ₃によって股関節に生じるトルクτ₃は、股関節から重心までの距離をＬ_3gとすれば、［数２３］の式により求められる。

上腕部の質量によって股関節に生じるトルクτ₁は、［数２４］の式により求められる。

また、前腕部の質量によって股関節に生じるトルクτ₂は、［数２５］の式により求められる。

以上により上半身、上腕部、前腕部によって生じるトルクと、手首部分に質量が集中したと仮定したときの仮想質量ｍ_hによって生じるトルクが等しいと考えれば、仮想質量ｍ_hは、［数２６］の式により求められる。

次に、股関節周りの慣性モーメントＪ_Bを求める手順を説明する。股関節、肩関節、肘関節のｘ軸に対する回転角度をそれぞれθ₃、θ₄、θ₅とすると、θ₃、θ₄、θ₅は、［数２７］の式により求められる。

上半身の股関節から重心までの距離を1/2Ｌ₃と仮定すると、股関節中心を原点とする上半身、上腕部、前腕部の重心の座標は、［数２８］により表わされる。

したがって、上半身、上腕部、前腕部の全体の重心座標Ｌ_ga＝（Ｌ_gax、Ｌ_gay ）は、［数２９］により表わされる。

ここで、股関節中心から上半身、上腕、前腕の全体の重心までの距離は、［数３０］の式により求められる。

したがって、股関節回りの慣性モーメントＪ_Bは、質量（ｍ₁＋ｍ₂＋ｍ₃）の一様な棒を回転させると仮定すれば、平行軸の定理により、［数３１］の式により求められる。

このようにして、質量ｍ_B（仮想質量ｍ_h＋荷物の質量ｍ_W）、及び慣性モーメントＪ_B等が求まると、次に、出力リンク３０の角度θ、トルク半径Ｌに基づいて、上体を股関節周りに上方に回動させる際に必要なトルクＴを演算する。前記トルクＴは、実施形態１で説明したように、［数３２］に示す式で求められる。

また、系のエネルギーＥの総和を演算する。エネルギーＥの総和は、実施形態１で説明したように、［数３３］に示す式で表される。

そして、次に、系のエネルギーＥの総和が最小になる条件を求めるため、［数３４］に示すように、エネルギーＥの時間による微分計算を行ない、微分値が零になる条件を求める。

そして、実施形態１の場合と同様に、系のエネルギーＥの総和が最小になる条件からモータ４０の回転角度θ₁を演算する。
回転角度θ₁は、［数３５］の式で表される。

アシスト装置６０のコントローラユニット５２は、モータ４０の回転角度がθ₁となるように、即ち、可変剛性機構２０の渦巻きバネ２４の外周側バネ端部２４ｅが角度θ₁となるように制御する。この結果、出力リンク３０から見た可変剛性機構２０の見かけの剛性ｋ_Rが調整されて、可変剛性機構２０の出力回転軸２６ｐから出力リンク３０に加わるアシストトルクτが制御される。即ち、人が荷物Ｗを持ち上げる際には、大腿部が起立する方向に可変剛性機構２０のアシストトルクτが出力リンク３０に対して加わるようになる。これにより、人の作業負荷が軽減される。

＜変更例＞
ここで、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本実施形態では、第１加速度センサ４４と第２加速度センサ４６により手首から出力リンク３０の回動中心Ｃまでの距離Ｌ（トルク半径Ｌ）を求める例を示した。しかし、例えば、肘関節に角度検出器を装着し、その角度検出器と、出力リンク３０の角度検出器４３と、上腕部、及び前腕部の長さ寸法から前記トルク半径Ｌを求めることも可能である。また、本実施形態では、可変剛性機構２０の弾性体として渦巻きバネ２４を使用する例を示したが、渦巻きバネ２４の代わりにコイルバネを使用したり、ゴム状の弾性体を使用することも可能である。また、本実施形態では、可変剛性機構２０に減速機２６を使用する例を示したが、バネの強さによっては減速機２６を省略することも可能である。また、本実施形態では、荷物Ｗの質量ｍ_Wをモータ４０の負荷電流Ｉから演算により求める例を示したが、前記質量ｍ_Wを予め測定してコントローラユニット５２に入力することも可能である。また、本実施形態では、左右両側に可変剛性機構２０、及び出力リンク３０を設ける例を示したが、片側にのみ設けることも可能である。

１０・・・アシスト装置
１２・・・上体装着具（身体装着具）
１４・・・支持架台部（身体装着具）
２０・・・可変剛性機構
２４・・・渦巻きバネ（弾性体）
２４ｅ・・バネ端部
２４ｙ・・バネ端部
２６・・・減速機
３０・・・出力リンク
３７・・・手首装着具
４０・・・モータ（剛性可変アクチュエータ）
４３・・・角度検出器（角度検出手段）
４４・・・第１加速度センサ（距離測定手段）
４６・・・第２加速度センサ（距離測定手段）
５２・・・コントローラユニット（制御装置、演算手段）
６０・・・アシスト装置
６２・・・上体装着具（身体装着具）
６４・・・支持架台部（身体装着具）

Claims (7)

1. 身体に装着される身体装着具と、
   弾性体を備え、剛性を変えられるように構成された可変剛性機構と、
   人の関節に対応する前記身体装着具の所定位置に前記可変剛性機構を介して回動中心部が連結されており、回動自由端側が前記関節を中心に回動する身体の一部に装着される出力リンクと、
   前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させる剛性可変アクチュエータと、
   前記出力リンクの回動角度を検出する角度検出手段と、
   人が物体から質量を受ける位置と、前記出力リンクの回動中心間の距離を測定する距離測定手段と、
   前記角度検出手段による検出角度と前記距離測定手段による測定距離とに基づいて前記剛性可変アクチュエータを制御する制御装置と、
   を有しており、
   前記制御装置は、人の負荷が軽減されるように、前記剛性可変アクチュエータを制御して前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変化させるアシスト装置。
2. 請求項１に記載されたアシスト装置であって、
   前記距離測定手段は、人が物体から質量を受ける位置に装着される第１の加速度センサと、前記出力リンクの回動中心に取付けられた第２の加速度センサと、前記第１の加速度センサと前記第２の加速度センサとの検出値に基づいて、前記第１の加速度センサと前記第２の加速度センサ間の距離を演算する演算手段とを有しているアシスト装置。
3. 請求項１又は請求項２のいずれかに記載されたアシスト装置であって、
   前記可変剛性機構の前記弾性体は、前記出力リンクの回動中心と同軸に設けられた渦巻きバネであり、
   前記渦巻きバネの一端側は、前記剛性可変アクチュエータ側に連結され、前記渦巻きバネの他端側は、前記出力リンク側に連結されており、
   前記剛性可変アクチュエータは、前記渦巻きバネの一端側の回転角度を変えることで前記出力リンクから見た前記可変剛性機構の見かけの剛性を変えるアシスト装置。
4. 請求項３に記載されたアシスト装置であって、
   前記渦巻きバネと前記出力リンクとの間には、前記渦巻きバネの他端側の回動角度に対し、前記出力リンクの回動角度を所定比率で小さく保持する減速機が設けられているアシスト装置。
5. 請求項２から請求項４のいずれかに記載されたアシスト装置であって、
   前記第１の加速度センサを人の手首に装着する手首装着具を備えているアシスト装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載されたアシスト装置であって、
   前記出力リンクの回動中心が人の肩関節に対応する位置に保持され、前記出力リンクの回動自由端側が上腕部に装着されるアシスト装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載されたアシスト装置であって、
   前記出力リンクの回動中心が人の股関節に対応する位置に保持され、前記出力リンクの回動自由端側が大腿部に装着されるアシスト装置。
   

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