JP2015100527A - アシストアーム - Google Patents

Abstract

【課題】上腕を上方に上げたまま、あるいは上腕を下方に下げたまま行う作業時において腕をサポートするアシストアームを提供する。【解決手段】アシストアームは、回転するウオームギアを有し、肩に設けた肩部と、肩部のウオームギアと歯合し、回転するウオームホイールを有し、ウオームホイールの回転に応じて回転する上腕部と、上腕部に接して設けられ、上腕部の回転に伴って上下すると共に、上腕を支持する上腕支持部と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、上腕を上方に上げたまま、あるいは、上腕を下方に下げたまま行う作業時などにおいて、腕を支持するアシストアームに関する。

従来、ロボット技術を応用して、作業時にヒト自身の腕ではなく、作業用アームに大型荷物や重量物を載せて作業を行うための大型の作業用アーム等は数多く研究されている。

また、ヒト自身が作業する際に腰や身体を支持してヒトの負担軽減を行う支援具についての研究開発もいくつか存在する（例えば、特許文献１及び２参照。）。

特開２００５−１９２７６４号公報 特開２００９−２８４９４２号公報

ヒト自身が行う作業の中には腕を上方に上げたまま、あるいは下方に下げたままで行う作業が比較的多い。このように腕を上げたまま、あるいは下方に下げたままで行う作業では、腕をサポートする支援具が必要とされている。

そこで、本開示の目的は、上腕を上方に上げたまま、あるいは上腕を下方に下げたまま行う作業時において、腕をサポートするアシストアームを提供することである。

本開示に係るアシストアームは、回転するウオームギアを有し、肩に設ける肩部と、
前記肩部の前記ウオームギアと歯合し、回転するウオームホイールを有し、前記ウオームホイールの回転に応じて回転する上腕部と、
前記上腕部に接して設けられ、前記上腕部の回転に伴って上下すると共に、上腕を支持する上腕支持部と、
を備える。

本開示に係るアシストアームによれば、上腕を上方に上げたまま、あるいは、上腕を下方に下げたままの作業時において、上腕支持部によって肘を支えることができる。また、作業時の上腕の水平に対する角度調整を容易に行うことができる。これによって、上腕を上方に上げたまま、あるいは上腕を下方に下げたまま行う作業時において、腕をサポートすることができる。

実施の形態１に係るアシストアームを左腕に装着した状態を示す概略図である。 実施の形態１に係るアシストアームの全体構成を示す概略図である。 両腕にアシストアームを設けた場合を示す概略図である。 実施の形態１に係るアシストアームのウオームギアとウオームホイールとの歯合状態を示す断面図である。 実施の形態１に係るアシストアームの内側方向から見た概略図である。 実施の形態１に係るアシストアームによって肘を支えている状態を示す概略図である。 実施の形態１に係るアシストアームの上腕部の上方向への回転によってウオームギアとウオームホイールとの歯合が外れた状態を示す断面図である。 実施の形態１に係るアシストアームの上腕部の下方向への回転によってウオームギアとウオームホイールとの歯合が外れた状態を示す断面図である。 実施の形態１の変形例に係るアシストアームの上腕部を前方に移動させることによってウオームギアとウオームホイールとの歯合が外れた状態を示す断面図である。

本開示の第１の態様に係るアシストアームは、回転するウオームギアを有し、肩に設ける肩部と、
前記肩部の前記ウオームギアと歯合し、回転するウオームホイールを有し、前記ウオームホイールの回転に応じて回転する上腕部と、
前記上腕部に接して設けられ、前記上腕部の回転に伴って上下すると共に、上腕を支持する上腕支持部と、
を備える。

上記第１の態様に係るアシストアームによれば、上腕をあげたまま、あるいは、上腕をさげたままの作業時において、上腕支持部によって肘を支えることができる。また、作業時の上腕の水平に対する角度調整を容易に行うことができる。そこで、上腕を上方に上げたまま、あるいは上腕を下方にさげたまま行う作業時において、腕をサポートすることができる。

第２の態様に係るアシストアームは、上記第１の態様において、前記ウオームホイールは、周方向に沿って少なくとも一定範囲に、前記ウオームギアと歯合する歯を有してもよい。

上記第２の態様に係るアシストアームによれば、ウオームギアと歯合する歯を有する一定範囲において、ウオームギアとウオームホイールとが歯合し、上腕部を保持できる。一方、ウオームギアと歯合する歯を有する一定範囲から外れた場合には、ウオームギアとウオームホイールとの歯合が外れるので、上腕部がフリーとなる。これによって、作業時に所望の自由度を得ることができる。

第３の態様に係るアシストアームは、上記第１の態様において、前記ウオームホイールは、周方向に沿って互いに離間した複数の連続する範囲に、前記ウオームギアと歯合する歯を有してもよい。

上記第３の態様に係るアシストアームによれば、ウオームギアと歯合する歯を有する範囲において、ウオームギアとウオームホイールとが歯合し、上腕部を保持できる。一方、ウオームギアと歯合する歯を有する範囲から外れた場合には、ウオームギアとウオームホイールとの歯合が外れるので、上腕部がフリーとなる。これによって、作業時に所望の自由度を得ることができる。

第４の態様に係るアシストアームは、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記ウオームホイールは、前記ウオームギアとの歯合が外れるように、前記ウオームギアから離れる方向に移動可能に設けられていてもよい。

上記第４の態様に係るアシストアームによれば、ウオームホイールをウオームギアから離れる方向に移動させることによって、ウオームギアとウオームホイールとの歯合が外れるので、上腕部がフリーとなる。これによって、作業時に所望の自由度を得ることができる。

第５の態様に係るアシストアームは、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記ウオームホイールは、水平軸について鉛直面に平行な面内で回転してもよい。

第６の態様に係るアシストアームは、上記第１から第５のいずれかの態様において、前記ウオームギアを回転させるモータをさらに備えてもよい。

上記第６の態様に係るアシストアームによれば、ウオームギアを回転させるモータを有するので、安定してウオームギアを回転させることができ、上腕を支持できる。

第７の態様に係るアシストアームは、上記第６の態様において、前記上腕部の端部に前腕に沿って回転可能に接続され、前腕を挟むように設けられた前腕部をさらに備えてもよい。

上記第７の態様に係るアシストアームによれば、前腕を挟んで設けられた前腕部を有するので、上腕に対する前腕の角度を一定にして作業できる。

第８の態様に係るアシストアームは、上記第７の態様において、前記前腕部は、前腕と対向する内側の上下のそれぞれに前記上腕支持部を上下させるように前記モータを回転させるスイッチとなる入力用センサを備えてもよい。

上記第８の態様に係るアシストアームによれば、前腕部の入力センサによって上方向又は下方向に入力できるので、手がふさがっている場合でもわずかな動作によって上下方向の動きを入力できる。

第９の態様に係るアシストアームは、上記第１から第８のいずれかの態様において、背面に固定され、肩の回転に合わせて前記肩部を回動自在に支持する背面部材をさらに備えてもよい。

上記第９の態様によれば、肩の回転に合わせて前記肩部を回動自在に支持する背面部材をさらに備えるので、肩を回転させた場合にも肩部を肩の動きに合わせて回動させることができる。

以下、本開示の実施の形態に係るアシストアームについて、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るアシストアーム１０を左腕に装着した状態を示す概略図である。図２は、実施の形態１に係るアシストアーム１０の全体構成を示す概略図である。図３は、両腕にアシストアーム１０、１０ａを設けた場合を示す概略図である。図４は、実施の形態１に係るアシストアーム１０のウオームギア２１とウオームホイール２２との歯合状態を示す断面図である。図５は、実施の形態１に係るアシストアーム１０の内側方向から見た概略図である。図６は、実施の形態１に係るアシストアーム１０によって肘を支えている状態を示す概略図である。

実施の形態１に係るアシストアーム１０は、肩部１１と、上腕部１２と、上腕支持部１３と、を備える。なお、前腕部１４をさらに備えてもよい。肩部１１は、回転するウオームギア２１を有し、肩に沿って設ける。上腕部１２は、肩部１１のウオームギア２１と歯合し、回転するウオームホイール２２を有し、ウオームホイール２２の回転に応じて回転する。上腕支持部１３は、上腕部１２に接して設けられ、上腕部１２の回転に伴って上下すると共に、上腕を支持する。なお、添付図面では、左腕に装着するアシストアーム１０のみを示しているが、これに限られず、例えば、図３に示すように右腕に装着するアシストアーム１０ａであってもよい。さらに、両腕のそれぞれに装着するアシストアーム１０，１０ａとしてもよい。この場合には、肩部１１、１１ａをそれぞれの腕のアシストアーム１０，１０ａについて設けてもよい。あるいは、両腕のアシストアーム１０、１０ａに共通の背面部材１６を設け、この背面部材１６について、両腕のアシストアーム１０、１０ａのそれぞれの肩部１１、１１ａを、左右それぞれの肩の回転に沿って回転軸１７、１７ａについて回動自在に設けてもよい。

（効果）
このアシストアーム１０によれば、図５及び図６に示すように、上腕を上方に上げたまま、あるいは、上腕を下方に下げたままの作業時に上腕支持部１３によって肘を支えることができる。また、作業時の上腕の水平に対する角度調整を容易に行うことができる。そこで、腕を上げたまま、あるいは下方にさげたまま行う作業時において腕をサポートすることができる。

（本開示の一形態に至った経緯）
上述のように腕を上げたまま、あるいは下方に下げたままで行う作業では、腕の上下についてある程度の自由度が必要とされる。本発明者は、従来の場合及び上記の場合には、腕を上げたまま、あるいは下方に下げたままで行う作業についてサポートできるが、腕の上下における自由度がなお十分ではないという課題を見出し、以下の本開示の一形態に至った。
本開示の一形態では、ウオームホイール２２の周方向に沿って一定範囲に、ウオームギア２１と歯合する歯２３を有する。
本開示の他の形態では、ウオームホイール２２の周方向に沿って互いに離間した複数の連続する範囲に、ウオームギア２１と歯合する歯２３を有する。
本開示のさらに他の形態では、ウオームホイール２２は、ウオームギア２１との歯合が外れるように、ウオームギア２１から離れる方向に移動可能に設けられている。

以上のそれぞれの形態によって、ウオームギア２１と歯合する歯を有する一定範囲において、ウオームギア２１とウオームホイール２２とが歯合し、上腕部１２を保持できる。一方、ウオームギア２１と歯合する歯を有する一定範囲から外れた場合には、ウオームギア２１とウオームホイール２２との歯合が外れるので、上腕部１２がフリーとなる。あるいは、ウオームホイール２２をウオームギア２１から離れる方向に移動させることによって、ウオームギア２１とウオームホイール２２との歯合が外れるので、上腕部１２がフリーとなる。これによって、作業時に所望の自由度を得ることができる。例えば、上腕を一定角度よりさらに上方に上げることができる。あるいは、上腕を一定角度よりさらに下方に下げることができる。

以下に、本開示に係るアシストアーム１０を構成する各構成部材について説明する。

＜肩部＞
肩部１１は、肩に設ける。肩部１１は、回転するウオームギア２１を有する。肩部１１は、ウオームギア２１及びウオームホイール２２を介して接続された上腕部１２を支持できる構成であればよい。ウオームギア２１は、モータ１５によって回転させることができる。なお、上述のように、両腕にアシストアーム１０、１０ａを装着する場合には、肩部１１、１１ａをそれぞれの腕のアシストアーム１０、１０ａについて設けてもよい。あるいは、両腕のアシストアーム１０、１０ａの肩部１１、１１ａを接続する共通の背面部材１６を設け、この背面部材１６について、両腕のアシストアーム１０、１０ａのそれぞれの肩部１１、１１ａを、左右それぞれの肩の回転に沿って回転軸１７、１７ａについて回動自在に設けてもよい。

＜上腕部及び上腕支持部＞
上腕部１２は、肩部１１のウオームギア２１と歯合し、回転するウオームホイール２２を有する。なお、ウオームホイール２２は、水平軸について鉛直面に平行な面内で回転してもよい。あるいは、鉛直面から傾斜した面内で回転してもよい。また、上腕部１２には、上腕を支持する上腕支持部１３を備える。上腕部１２は、ウオームホイール２２の回転に応じて回転し、上腕支持部１３は上腕部１２の回転に伴って上下する。上腕部１２のウオームホイール２２は、周方向に沿って少なくとも一定範囲に、ウオームギア２１と歯合する歯２３を有する。あるいは、ウオームホイール２２の周方向に沿って互いに離間した複数の連続する範囲に、ウオームギア２１と歯合する歯２３を有するように構成してもよい。

図７は、アシストアーム１０の上腕部１２の上方向への回転によってウオームギア２１とウオームホイール２２との歯合が外れた状態を示す断面図である。図８は、アシストアーム１０の上腕部１２の下方向への回転によってウオームギア２１とウオームホイール２２との歯合が外れた状態を示す断面図である。

例えば、ウオームホイール２２の周方向に沿って一定範囲でウオームギア２１と歯合する歯を有する場合について説明する。具体的には、ウオームギア２１とウオームホイール２２とが歯合する範囲が、上腕部１２が水平に対して５０°〜８０°となる範囲と対応する場合である。
図７に示すように、水平に対して上腕部のなす角度θが８０°以上になると、ウオームホイール２２の歯部分がウオームギア２１の歯から外れる。これによってウオームホイール２２がフリーになる。その結果、上腕部１２及び上腕支持部１３もフリーになる。この場合、角度が８０°以上の場合には、上腕部１２がフリーとなり、ヒトの上腕も自由となる。このため、制限なくより高いところに上腕を伸ばすことができる。なお、いったん角度が８０°を超えた場合、８０°以下の角度に戻すためにはウオームギア２１を回転させてウオームギア２１とウオームホイール２２とを再び歯合させる必要がある。

また、図８に示すように、水平に対して上腕部１２のなす角度θが５０°以下になると、ウオームホイール２２の歯部分がウオームギアの歯から外れる。これによってウオームホイール２２がフリーになる。その結果、上腕部１２及び上腕支持部１３もフリーになる。この場合、角度が５０°以下の場合についてフリーとなり、ヒトの上腕も自由となる。このため、制限なくより低いところに上腕を伸ばすことができる。なお、いったん角度が５０°未満となった場合、５０°以上の角度に戻すためにはウオームギア２１を回転させてウオームギア２１とウオームホイール２２とを再び歯合させる必要がある。

上記構成によって、水平に対して上腕部１２のなす角度θが５０°〜８０°の範囲において、ウオームギア２１とウオームホイール２２との歯合によって、肩部１１に対して上腕部１２を固定できる。その結果、上腕支持部１３によって上腕をしっかりと支持できる。
一方、上記角度範囲以外の角度、５０°以下又は８０°以上では、ウオームギア２１とウオームホイール２２とが歯合せず、上腕支持部１３をフリーな状態とすることができる。これによって、５０°以下又は８０°以上の角度では、上腕を固定することなく自由に動かすことができる。例えば、上方での作業時にも高い自由度で行うことができる。
なお、上記角度範囲は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、ウオームホイール２２は、周方向に沿って互いに離間した複数の連続する範囲について、ウオームギア２１と歯合する歯を有してもよい。この場合、複数の連続する範囲の間の歯を有しない角度範囲において高い自由度で作業をおこなうことができる。

＜前腕部＞
前腕部１４は、前腕を挟むように設けてもよい。なお、前腕部１４は、上腕部１２に対して任意の角度に固定可能としてもよい。この場合、連続的に角度を可変としてもよく、あるいは、段階的に角度を可変としてもよい。また、この前腕部１４には、前腕と対向する内側の上下それぞれに入力用センサ３１、３２を備えている。入力用センサ３１、３２は、肩部１１のウオームギア２１を駆動するモータ１５の回転のオン／オフを行うものであればよい。例えば、上下それぞれの入力用センサ３１、３２のいずれかをタッチすることによって、モータ１５の回転方向を上方向又は下方向のいずれかを選択できる。両手がふさがった状態であっても前腕のわずかな動きで入力用センサ３１、３２をタッチしてモータ１５の回転を制御できる。これによって、ウオームギア２１を回転させ、ウオームホイール２２に回転を伝達して、上腕部１２を回転させ、上腕支持部１３を上下させることができる。
なお、入力用センサ３１、３２は、例えば、感圧センサ、静電容量型センサ、光センサ等の様々なセンサを利用できる。また、上記の例に限られず、例えば、前腕に電気的接点を貼付しておき、前腕を動かして前腕部１４の対応する箇所の接点と電気的に接触させることによって入力する電気的スイッチによって入力用センサを構成してもよい。

＜背面部材＞
このアシストアーム１０は、背面に固定される背面部材１６を備えてもよい。図３に示すように、背面部材１６は、背面に固定され、回転軸１７について肩部１１が回動自在となるように肩部１１を支持する。これによって肩を回転させた場合にも肩部１１を肩の動きに合わせて回動させることができる。なお、肩の回転とは、例えば、図３の例では回転軸１７についての左右への回転である。
また、図３では、一例として、左腕だけでなく右腕にもアシストアーム１０ａを設けている場合を示している。この場合には、背面部材１６は、右腕のアシストアーム１０ａについても、回転軸１７ａについて肩部１１ａが回動自在となるように肩部１１ａを支持している。

（実施例）
以下に、実施例におけるアシストアーム１０の動作について説明する。
（１）前腕部１４の上下に設けた入力用センサ３１、３２を操作者が前腕によって、上方向又は下方向にタッチする。
（２）前腕部１４の入力用センサ３１、３２への入力（ＯＮ／ＯＦＦ、アナログ値）に応じて、モータ１５が回転し、ウオームギア２１を回転させる。
（３）ギアボックス内にて、ウオームギア２１とウオームホイール２２とが歯合し、ウオームギア２１の回転に伴ってウオームホイール２２が回転し、上腕部１２が上方又は下方に回転する。
（４）上腕部１２の回転に伴って、上腕支持部１３が上下する。
これによって、このアシストアーム１０によれば、上腕支持部１３で肘及び上腕を支持しながら、上下させることができる。また、ウオームギア２１を回転させることによって水平に対して上腕を所望の角度に設定することができる。

（変形例）
図９は、変形例に係るアシストアームの上腕部１２を前方に移動させることによって、ウオームギア２１とウオームホイール２２との歯合が外れた状態を示す断面図である。この変形例に係るアシストアームでは、上記実施の形態１に係るアシストアームと対比すると、ウオームホイール２２は、ウオームギア２１との歯合が外れるように、ウオームギア２１から離れる方向に移動可能に設けられている点で相違する。このように、ウオームギア２１とウオームホイール２２とを歯合させた状態から、ウオームホイール２２をウオームギア２１から離れる方向に移動させて、ウオームギア２１とウオームホイール２２との歯合を外して、ウオームホイール２２をフリーにできる。この場合、図９に示すように、ウオームホイール２２の歯２３は、周方向の全範囲に設けてもよい。あるいは、図４に示すように、周方向の一部の範囲に歯２３を設けてもよい。

なお、ウオームホイール２２は、上記のように、ウオームギア２１から離れる方向に移動可能に設けられているだけではなく、逆に、ウオームギア２１と歯合するようにウオームギア２１に向かう方向に移動可能に設けられている。これによって、ウオームギア２１との歯合とその解除とを自在に行うことができる。この場合、水平に対する上腕部１２の角度にかかわらずウオームギア２１とウオームホイール２２との歯合とその解除を行うことができ、さらに作業時の自由度を高めることができる。

ウオームホイール２２をウオームギア２１から離れる方向又はウオームギア２１に向かう方向に移動させる方法としては、例えば、前腕部１４の左右に別の入力用センサを設けて制御してもよい。この場合、前腕を左右に動かして左右の入力用センサをタッチしてウオームホイール２２の移動を制御してもよい。なお、ウオームホイール２２の移動によって、上腕部１２及び上腕支持部１３のフリー状態を制御することとなるので、確実な入力のために、ウオームホイール２２の移動は、左右の入力用センサへの複数回の入力によって行うようにしてもよい。

本開示に係るアシストアームによれば、上腕を上方に上げたまま、あるいは、上腕を下方に下げたままの作業時に上腕支持部によって肘を支えることができる。また、作業時の上腕の水平に対する角度調整を容易に行うことができる。そこで、上腕を上方に上げたまま、あるいは上腕を下方に下げたまま行う作業時において腕をサポートすることができる。そのため、上腕を上方に上げたまま、あるいは、上腕を下方に下げたままの作業をサポートするアシストアーム、支援装着具などの用途に有用である。

１０、１０ａ アシストアーム
１１、１１ａ 肩部
１２、１２ａ 上腕部
１３ 上腕支持部
１４、１４ａ 前腕部
１５、１５ａ モータ
１６ 背面部材
１７、１７ａ 回転軸
２１ ウオームギア
２２ ウオームホイール
２３ 歯
３１、３２ 入力用センサ

Claims (9)

1. 回転するウオームギアを有し、肩に設けた肩部と、
   前記肩部の前記ウオームギアと歯合し、回転するウオームホイールを有し、前記ウオームホイールの回転に応じて回転する上腕部と、
   前記上腕部に接して設けられ、前記上腕部の回転に伴って上下すると共に、上腕を支持する上腕支持部と、
   を備えた、アシストアーム。
2. 前記ウオームホイールは、周方向に沿って少なくとも一定範囲に、前記ウオームギアと歯合する歯を有する、請求項１に記載のアシストアーム。
3. 前記ウオームホイールは、周方向に沿って互いに離間した複数の連続する範囲に、前記ウオームギアと歯合する歯を有する、請求項１に記載のアシストアーム。
4. 前記ウオームホイールは、前記ウオームギアとの歯合が外れるように、前記ウオームギアから離れる方向に移動可能に設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載のアシストアーム。
5. 前記ウオームホイールは、水平軸について鉛直面に平行な面内で回転する、請求項１から４のいずれか一項に記載のアシストアーム。
6. 前記ウオームギアを回転させるモータをさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のアシストアーム。
7. 前記上腕部の端部に前腕に沿って回転可能に接続され、前腕を挟むように設けられた前腕部をさらに備えた請求項６に記載のアシストアーム。
8. 前記前腕部は、前腕と対向する内側の上下のそれぞれに前記上腕支持部を上下させるように前記モータを回転させるスイッチとなる入力用センサを備えた請求項７に記載のアシストアーム。
9. 背面に固定され、肩の回転に合わせて前記肩部を回動自在に支持する背面部材をさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のアシストアーム。

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