JP2018102755A

JP2018102755A - 動作補助装置

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Publication number: JP2018102755A
Application number: JP2016254455A
Authority: JP
Inventors: 内多　実; Minoru Uchida; 実内多; 信之大橋; Nobuyuki Ohashi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP6584384B2; DE102017223442A1; US20180177672A1; CN108247607A; US10835445B2; DE102017223815A1; CN108247607B

Abstract

【課題】軽量で、稼働時間が十分に長く、適切なタイミングで動作の補助を行うことができる動作補助装置を提供する。
【解決手段】動作補助装置Ａは、第１装具及び第２装具を介して、使用者Ｕの身体に力を作用させる駆動機構９と、使用者Ｕの姿勢を検知する姿勢検知部７，８，３ａと、駆動機構を制御する制御部９ｄとを備える。駆動機構９の伝達機構９ｂは、バネ９ａに基づく駆動力を伝達して関節を所定の状態となるように動作させる伝達状態と、駆動力を蓄積して伝達させずに関節を自由に動作可能とする非伝達状態とを切換可能に構成されている。制御部９ｄは、使用者Ｕの姿勢に基づいて所定のトリガーイベントを認識したときに、自動的に伝達機構９ｂを非伝達状態に切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用者の関節の動作を補助する動作補助装置に関する。

従来、使用者の関節の一方側の部分に装着する第１装具と、使用者の関節の他方側の部分に装着する第２装具と、第１装具に接続されている第１フレームと、第２装具に接続されている第２フレームと、第１フレームと第２フレームとの相対位置を変化させる駆動機構とを備え、駆動機構からの駆動力によって、フレーム及び装具を介して使用者の身体に力を加え、使用者の関節の動作を補助する動作補助装置がある。

この種の動作補助装置としては、駆動機構に内蔵されたコイルバネからの弾性力を駆動力に変換して、大腿部に固定されている第１フレーム又は下腿部に固定されている第２フレームに伝達することによって、使用者の膝の動作を補助するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の動作補助装置のように、駆動源としてコイルバネ等の弾性部材を用いた動作補助装置は、駆動源としてアクチュエータ等を用いた動作補助装置に比べ、必要な電力が少なく、制御部も簡易なもので良いので、軽量であり、また、稼働時間が長いといった利点がある。

一方、駆動源としてコイルバネ等の弾性部材を用いた動作補助装置では、使用者は、所定の姿勢である場合には常に駆動力が加えられ続けるので、所定の状態を維持しにくく、維持しようとすると、付加荷重に対抗する必要があるという問題があった。

具体的には、例えば、動作補助装置が、使用者が屈む動作を行った際に弾性力を蓄積し、その蓄積した弾性力を解放することによって使用者の立ち上がる動作を補助するものである場合、使用者は、動作補助装置から立ち上がる方向の力を受け続けることになる。そのため、使用者は、屈んだ状態（例えば、椅子に着座した状態）を維持することが難しいという問題があった。

そこで、特許文献１に記載の動作補助装置では、使用者の任意のタイミングで、コイルバネに蓄積した弾性力をフレームに伝達させずに解放させることが可能な機構を設けている。これにより、特許文献１に記載の動作補助装置では、本来動作の補助のために使用者に力が作用する姿勢であっても、力を作用させない状態とすることを可能にしている。

特開２０１５−０８０６２１

しかし、特許文献１に記載の動作補助装置では、一度弾性力を解放した後には、再度弾性力を蓄積可能とするための作業を行わなければ、弾性力を蓄積することができるようにはならず、動作の補助を行うことができないという問題があった。

そのため、特許文献１に記載のような従来の動作補助装置は、動作の補助が必要な状態と動作の補助が不要な状態とが頻繁に切り換わるような使用環境では、適切なタイミングで動作の補助を行うことができないという問題があった。

一方、アクチュエータ等を駆動源として用いた場合には、上記のような使用環境であっても、適切なタイミングで動作の補助を行いやすい。しかし、上記したように、アクチュエータ等を駆動源として用いた動作補助装置は、重量が重く、稼働時間が短いという問題があった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、軽量で、稼働時間が十分に長く、適切なタイミングで動作の補助を行うことができる動作補助装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の動作補助装置は、使用者の関節の動作を補助する動作補助装置であって、前記使用者の前記関節の一方側の部分に装着される第１装具と、前記使用者の前記関節の他方側の部分に装着される第２装具と、前記第１装具に接続されている第１フレームと、前記第２装具に接続され、前記第１フレームに対する相対位置を変化可能な第２フレームと、前記第１フレーム又は前記第２フレームに駆動力を伝達して前記第１フレームと前記第２フレームとの相対位置を変化させることによって、前記関節が所定の状態となるように、前記第１装具及び前記第２装具を介して、前記使用者の身体に力を作用させる駆動機構と、前記使用者の姿勢を検知する姿勢検知部と、前記駆動機構を制御する制御部とを備え、前記駆動機構は、前記第１フレーム及び前記第２フレームの一方に固定されている弾性部材と、前記弾性部材から伝達された弾性力を前記駆動力に変換して前記第１フレーム及び前記第２フレームの他方に伝達する伝達機構とを有し、前記弾性部材は、前記使用者の姿勢が第１姿勢となるときに前記弾性力を蓄積し、前記使用者の姿勢が第２姿勢となるときに該弾性力を解放し、前記伝達機構は、前記関節の動作に伴って、前記弾性力を蓄積させる、又は、前記弾性力の解放に伴って、前記駆動力を伝達して前記関節を所定の状態となるように動作させる伝達状態と、前記弾性力の蓄積を維持して、前記駆動力を伝達させずに前記関節を自由に動作可能とする非伝達状態とを切換可能であり、前記制御部は、前記使用者の姿勢が前記第１姿勢となった後であって前記第２姿勢となる前に、所定のトリガーイベントを認識したときに、自動的に前記伝達機構を非伝達状態に切り換えるように構成されていることを特徴とする。

このように、本発明の動作補助装置は、駆動源として弾性部材を用いている。そのため、駆動源としてアクチュエータ等を用いた動作補助装置に比べ、必要な電力が少なく、制御部も簡易なもので良いので、軽量であり、また、稼働時間が長い。

また、本発明の動作補助装置は、動作の補助又は弾性力の蓄積を行う伝達状態と、弾性力の蓄積を維持したまま（すなわち、動作の補助を行わず）、関節が自由に動作可能な非伝達状態とを切換可能となっている。そして、その切り換えは、姿勢センサが検出した使用者の姿勢に基づいて、制御部が所定のトリガーイベントを認識したときに、自動的に行われる。

これにより、本発明の動作補助装置では、動作の補助が必要な状態と動作の補助が不要な状態とが頻繁に切り換わるような使用環境においても、使用者が特別の操作を行わずとも、適切なタイミングで動作の補助を行うことができる。

また、本発明の動作補助装置においては、前記関節は、膝関節であり、前記第１装具は、前記使用者の大腿部に装着され、前記第２装具は、前記使用者の下腿部に装着され、前記第１姿勢は、前記使用者が膝を曲げた姿勢であり、前記第２姿勢は、前記使用者が直立した姿勢であるように構成してもよい。

また、本発明の動作補助装置においては、前記伝達機構は、筐体と、該筐体内で回転自在な複数の要素を有する遊星歯車機構と、係合機構とを有し、複数の前記要素は、前記第１装具及び前記第２装具のいずれか一方に前記弾性部材を介して連結されている入力要素と、前記第１装具及び前記第２装具のいずれか他方に連結されている出力要素と、固定要素とからなり、前記係合機構は、前記制御部からの信号に基づいて、前記入力要素を回転可能な状態から固定された状態に切り換えるとともに、前記固定要素を固定された状態から回転可能な状態に切り換えることにより、前記駆動機構を前記伝達状態から前記非伝達状態に切り換え、前記入力要素を固定された状態から回転可能な状態に切り換えるとともに、前記固定要素を回転可能な状態から固定された状態に切り換えることにより、前記駆動機構を前記非伝達状態から前記伝達状態に切り換えるように構成してもよい。

また、本発明の動作補助装置においては、伝達機構として遊星歯車機構を用いた場合、前記入力要素は、サンギヤであり、前記出力要素は、リングギヤであり、前記固定要素は、キャリアであるように構成してもよい。

また、本発明の動作補助装置においては、伝達機構として遊星歯車機構を用いた場合であって、入力要素をサンギヤ、出力要素をリングギヤ、固定要素をキャリアとした場合、前記係合機構は、前記制御部からの信号に基づいて、前記キャリアを回転可能な状態から固定された状態に切り換えるとともに、前記サンギヤを固定された状態から、前記弾性部材に前記関節からの力を伝達して該弾性部材に前記弾性力を蓄積するように回転可能な状態に切り換えることにより、前記駆動機構を前記非伝達状態から、前記関節の動作に伴って前記弾性力を蓄積する前記伝達状態に切り換えることを特徴とする。

また、本発明の動作補助装置においては、伝達機構として遊星歯車機構を用いた場合であって、入力要素をサンギヤ、出力要素をリングギヤ、固定要素をキャリアとした場合、前記係合機構は、前記制御部からの信号に基づいて、前記キャリアを回転可能な状態から固定された状態に切り換えるとともに、前記サンギヤを固定された状態から、前記弾性部材から前記弾性力を解放して該弾性力に基づく前記駆動力を前記関節に伝達するように回転可能な状態に切り換えることにより、前記駆動機構を前記非伝達状態から、前記弾性力の解放に伴って前記駆動力を伝達して前記関節を所定の状態となるように動作させる前記伝達状態に切り換えることを特徴とする。

また、本発明の動作補助装置においては、制御モード切り換えスイッチを備え、前記制御部は、前記制御モード切り換えスイッチからの信号を受信したときに、前記伝達状態と前記非伝達状態とを切り換えるように構成されていることが好ましい。

このように、手動でも伝達状態と非伝達状態とを切換可能とすると、さらに適切なタイミングで動作の補助を行うことができる。

実施形態に係る動作補助装置の構成を示す模式的に示す説明図。図１の動作補助装置の駆動機構の有する遊星歯車機構の構成を示す断面図。図１の動作補助装置の駆動機構の各モードにおける遊星歯車機構の各要素の状態を表す表。図１の動作補助装置の制御部が行う駆動力の切換処理を示すフローチャート。図１の動作補助装置を装着した使用者が動作を行う際の各段階における姿勢を示す模式図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

まず、図１及び図２を参照して、動作補助装置Ａの概略構成について説明する。

図１に示すように、動作補助装置Ａは、使用者Ｕの下半身に装着されるものであり、使用者Ｕの膝関節の動作を補助するものである。

動作補助装置Ａは、使用者Ｕの大腿部に装着される第１装具１と、使用者Ｕの下腿部に装着される第２装具２と、使用者Ｕの足平に装着される第３装具３とを備えている。動作補助装置Ａでは、これらの装具を介して、使用者Ｕの身体に力を作用させて、使用者Ｕの動作（具体的には、屈伸運動）の補助が行われる。第３装具３には、使用者Ｕが受ける床反力を検知する荷重センサ３ａが内蔵されている。

第１装具１には、使用者Ｕの大腿部に沿って延びる第１フレーム４が接続されており、第２装具２には、使用者Ｕの下腿部に沿って延びる第２フレーム５が接続されており、第３装具には、足平に沿って延びる第３フレーム６が接続されている。

第１フレーム４と第２フレーム５とは、第１関節部７を介して、相対回転可能となっている。第２フレーム５と第３フレーム６とは、第２関節部８を介して、相対回転可能となっている。

第１関節部７は、使用者Ｕが動作補助装置Ａを装着したときに、使用者Ｕの膝関節に対応する位置に位置するように設けられている。第２関節部８は、使用者Ｕが動作補助装置Ａを装着したときに、使用者Ｕの足首の関節に対応する位置に位置するように設けられている。

第１関節部７及び第２関節部８には、対応する関節の角度を検出するためのセンサが内蔵されている。また、第１関節部７は、プーリ（不図示）を有しており、そのプーリには後述するワイヤ９ｃが掛けられている。

第１フレーム４には、駆動機構９が固定されている。駆動機構９は、第１フレーム４に一端が固定されたバネ９ａ（弾性部材）と、バネ９ａの他端が接続され、バネ９ａから伝達された弾性力を駆動力に変換する伝達機構９ｂと、一端が伝達機構９ｂに接続され、他端が第２装具２に接続されているワイヤ９ｃと、伝達機構９ｂを制御するための制御部９ｄとを有している。

バネ９ａは、使用者Ｕが屈んだ姿勢（第１姿勢）となるときに、第１装具１、第２装具２、ワイヤ９ｃ及び伝達機構９ｂを介して使用者Ｕの筋力により引き伸ばされて、弾性力を蓄積し（すなわち、弾性エネルギーを蓄積し）、使用者Ｕが直立した姿勢（第２姿勢）となるときに、蓄積した弾性力を解放して、伝達機構９ｂ、ワイヤ９ｃ、第２装具２及び第１装具１を介して使用者Ｕの身体に力を作用させる。

なお、本実施形態においては、弾性部材として、コイル状のバネ９ａを用いているが、本発明における弾性部材は、コイル状のバネに限定されるものではなく、弾性力を蓄積・解放できるものであればよい。例えば、弾性部材として、ウレタンゴム等を用いてもよい。

ワイヤ９ｃは、伝達機構９ｂから加えられた駆動力に応じて、第２装具２に対して引き寄せる方向の力を加える。これにより、使用者Ｕに対しては、第１装具１及び第２装具２と介して、大腿部を下腿部に対して直立させる方向の力（すなわち、立ち上がる動作を補助する力）が大腿部及び下腿部に対して加えられる。

制御部９ｄは、第１関節部７のセンサが検出した使用者Ｕの膝関節の角度、第２関節部８のセンサが検出した使用者Ｕの足首の関節の角度、及び、第３装具３の荷重センサ３ａが検出した床反力に基づいて、使用者Ｕの姿勢を推定する。すなわち、動作補助装置Ａでは、これらのセンサによって、使用者Ｕの姿勢を検知する姿勢検知部が構成されている。

また、制御部９ｄは、推定した姿勢に基づいて、伝達機構９ｂを、動作の補助を行う伝達モード（伝達状態）と、弾性力の蓄積を維持したまま（すなわち、使用者Ｕの動作の補助を行わず）、使用者Ｕが膝関節を自由に動作可能な非伝達モード（非伝達状態）とを切り換える。

次に、図２を参照して、伝達機構９ｂについて説明する。

図２に示すように、伝達機構９ｂは、第１フレーム４に固定されている筐体１０と、筐体１０の内部に配置されている遊星歯車機構ＰＧＳと、ブレーキＢ（係合機構）とを備えている。

遊星歯車機構ＰＧＳは、バネ９ａを介して第１装具に連結されているサンギヤＳ（入力要素）と、ワイヤ９ｃを介して第２装具２に連結されているリングギヤＲ（出力要素）と、サンギヤＳ及びリングギヤＲに噛合するピニオンＰ、ピニオンＰを自転及び公転自在に軸支するキャリアＣ（固定要素）とからなる。

なお、遊星歯車機構ＰＧＳは、いわゆるシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、キャリアＣを固定してサンギヤＳを回転させるとリングギヤＲが減速されてサンギヤＳと異なる方向に回転する、いわゆるマイナス遊星歯車機構又はネガティブ遊星歯車機構と呼ばれる遊星歯車機構である。

ブレーキＢは、第１フレーム４に対して軸線方向に移動自在に固定されている第１係合要素Ｂ１と、サンギヤＳに固定されている第２係合要素Ｂ２と、キャリアＣに固定されている第３係合要素Ｂ３とからなる。第１係合要素Ｂ１は、ソレノイド（不図示）により、制御部９ｄからの信号に基づいて軸線方向に移動して、第２係合要素Ｂ２及び第３係合要素Ｂ３のいずれか一方に選択的に係合する。

図３の表に示すように、第１係合要素Ｂ１と第３係合要素Ｂ３とが係合した状態（図２に示す状態）とすると、第３係合要素Ｂ３が固定されているキャリアＣの回転が阻止され（すなわち、キャリアＣが筐体１０に固定され）、伝達機構９ｂは伝達モードとなる。

伝達モードでは、サンギヤＳは、バネ９ａに膝関節からの力を伝達し、バネ９ａに弾性力を蓄積するように（出力方向に）回転可能となっている。また、リングギヤＲは、膝を曲げる方向（入力方向）に回転可能となっている。

そのため、使用者Ｕが第２姿勢から第１姿勢になる際（屈むとき）には、使用者Ｕが膝を曲げる力が、第２装具２及びワイヤ９ｃを介してリングギヤＲに入力された後、キャリアＣ及びサンギヤＳを介してバネ９ａに加えられる。その結果、バネ９ａに弾性力が蓄積される。

また、伝達モードでは、サンギヤＳは、バネ９ａから弾性力を解放し、その弾性力に基づく駆動力を膝関節に伝達するように（入力方向に）回転可能となっている。また、リングギヤＲは、膝を伸ばす方向（出力方向）に回転可能となっている。

そのため、使用者Ｕが第１姿勢から第２姿勢になる際（立ち上がるとき）には、バネ９ａから解放された弾性力が、サンギヤＳ及びキャリアＣを介してリングギヤＲに入力された後、ワイヤ９ｃ及び第２装具２を介して使用者Ｕに加えられる。その結果、使用者Ｕの膝関節の動作が補助される。

一方、第１係合要素Ｂ１と第２係合要素Ｂ２とが係合した状態とすると、第２係合要素Ｂ２が固定されているサンギヤＳの回転が阻止され（すなわち、サンギヤＳが筐体１０に固定され）、伝達機構９ｂは非伝達モードとなる。

非伝達モードでは、サンギヤＳが固定されているので、サンギヤＳに連結されているバネ９ａに弾性力が蓄積されることがなく、また、バネ９ａに蓄積された弾性力が解放されることもない。また、リングギヤＲは自由に回転するが、その回転はサンギヤＳに伝達されない。

そのため、非伝達モードでは、バネ９ａに蓄積された弾性力が維持されたまま、使用者Ｕは膝関節を自由に動作させることができる。

また、第１係合要素Ｂ１が、第２係合要素Ｂ２及び第３係合要素Ｂ３のいずれに対しても係合していない状態とすると、第２係合要素Ｂ２が固定されているサンギヤＳ及び第３係合要素が固定されているキャリアＣが自由回転するようになる。これにより、バネ９ａに蓄積された弾性力が、使用者Ｕの関節に駆動力を伝達させることなく解放される（リセットされる）。

なお、リセットのための構造は、上記の構造に限定されるものではなく、バネ９ａと第１フレーム４又はサンギヤＳとの間にクラッチを設けるとともに、第１係合要素Ｂ１が第２係合要素Ｂ２及び第３係合要素Ｂ３のいずれかに選択的に係合する構造と採用してもよい。

なお、動作補助装置Ａでは、筐体１０を第１フレーム４に固定しているが、第１装具１、第２装具２、第２フレーム５に固定するようにしてもよい。

また、動作補助装置Ａでは、遊星歯車機構ＰＧＳのサンギヤＳを入力要素、リングギヤＲを出力要素、キャリアＣを固定要素としている。しかし、リングギヤＲ、キャリアＣにバネ９ａを連結して入力要素にしてもよいし、サンギヤＳ、キャリアＣに第２装具２を連結して出力要素にしてもよいし、サンギヤＳ，リングギヤＲを固定要素としてもよい。

また、動作補助装置Ａでは、遊星歯車機構として、シングルピニオン型の遊星歯車機構を用いたが、ダブルピニオン型の遊星歯車機構を用いてもよい。

また、動作補助装置Ａでは、係合機構として、ソレノイドを用いた係合機構を構成している。しかし、ソレノイドに代わり、ドグクラッチ、電磁ブレーキ、ディスクブレーキ等を用いて、係合機構を構成してもよい。

次に、図４及び図５を参照して、制御部９ｄが行う制御について説明する。なお、動作補助装置Ａは、使用開始の時点（初期状態）では、使用者Ｕが第１姿勢（膝を曲げた姿勢）となる際にバネ９ａに弾性力が蓄積され、使用者Ｕが第２姿勢（直立した姿勢）となる際に、駆動力が伝達されて動作が補助される伝達モードとなっているものである。

まず、制御部９ｄは、第１関節部７のセンサが検出した使用者Ｕの膝関節の角度、第２関節部８のセンサが検出した使用者Ｕの足首の関節の角度、及び、第３装具３の荷重センサ３ａが検出した床反力に基づいて、使用者Ｕの姿勢が膝を曲げた姿勢（第１姿勢）になったか否かを判定する（図４／ＳＴＥＰ１）。

具体的には、制御部９ｄは、各センサからの検出信号に基づいて、使用者Ｕが荷物を持ち上げるため等の理由から、膝を曲げて屈んだ姿勢（第１姿勢）になったか（図５Ａに示す状態から図５Ｂに示す状態に遷移したか）否かを判定する。換言すれば、制御部９ｄは、第１姿勢になって、バネ９ａに弾性力が蓄積されたか否かを判定する。

使用者Ｕが第１姿勢になっていないと判定された場合（ＳＴＥＰ１でＮＯの場合）には、制御部９ｄは、ＳＴＥＰ１に戻り、再度判定を行う。

一方、使用者Ｕが第１姿勢になったと判定された場合（ＳＴＥＰ１でＹＥＳの場合）には、制御部９ｄは、第１関節部７のセンサが検出した使用者Ｕの膝関節の角度、第２関節部８のセンサが検出した使用者Ｕの足首の関節の角度、及び、第３装具３の荷重センサ３ａが検出した床反力に基づいて、使用者Ｕの姿勢が直立した姿勢（第２姿勢）になったか否かを判定する（図４／ＳＴＥＰ２）。

具体的には、制御部９ｄは、各センサからの検出信号に基づいて、直立した姿勢になったか（図５Ｂに示す状態から図５Ｅに示す状態に遷移したか）否かを判定する。

使用者Ｕが第２姿勢になったと判定された場合（ＳＴＥＰ２でＹＥＳの場合）には、制御部９ｄは、ＳＴＥＰ１に戻り、再度判定を行う。

このとき（すなわち、直立した姿勢になるとき（図５Ｂに示す状態からすぐに図５Ｅに示す状態に遷移するとき））、伝達機構９ｂは伝達モードであるので、使用者Ｕには、屈んだ姿勢（第１姿勢）となった際（ＳＴＥＰ１でＹＥＳとなった際）にバネ９ａに蓄積された弾性力に基づく駆動力が加えられ、立ち上がる動作が補助される。

一方、使用者Ｕが第２姿勢になっていないと判定された場合（ＳＴＥＰ２でＮＯの場合）には、制御部９ｄは、第２姿勢になっていない状態で、予め定められた所定時間が経過したか否か（トリガーイベントが発生したか否か）を判定する（図４／ＳＴＥＰ３）。

具体的には、制御部９ｄは、各センサからの検出信号に基づいて、第１姿勢（図５Ｂに示す状態）となった時点を基準として、第１姿勢を所定時間以上維持しているか否か、又は、第１姿勢ではないものの第２姿勢にはなっていない中腰の姿勢（図５Ｃに示す状態）を所定時間以上維持しているか否かを判定する。

所定期間が経過していないと判定された場合（ＳＴＥＰ３でＮＯの場合）には、制御部９ｄは、ＳＴＥＰ２に戻り、使用者Ｕが第２姿勢となったか否かを再度判定する。

一方、所定期間が経過したと判定された場合（ＳＴＥＰ３でＹＥＳの場合）には、制御部９ｄは、伝達機構９ｂを非伝達モードに切り換える（図４／ＳＴＥＰ４）。

伝達機構９ｂが非伝達モードに切り換えられたことにより、中腰で移動する状態等であっても、動作補助装置Ａから力が加えられることがないので、使用者Ｕは、膝関節を自由に動作させることができる。

次に、制御部９ｄは、第１関節部７のセンサが検出した使用者Ｕの膝関節の角度、第２関節部８のセンサが検出した使用者Ｕの足首の関節の角度、及び、第３装具３の荷重センサ３ａが検出した床反力に基づいて、使用者Ｕの姿勢が屈んだ姿勢（第１姿勢）になったか否かを判定する（図４／ＳＴＥＰ５）。

具体的には、制御部９ｄは、各センサからの検出信号に基づいて、中腰の姿勢から屈んだ姿勢になったか（図５Ｃに示す状態から図５Ｄに示す状態に遷移したか）否かを判定する。

使用者Ｕが第１姿勢になっていないと判定された場合（ＳＴＥＰ５でＮＯの場合）には、制御部９ｄは、ＳＴＥＰ５に戻り、使用者Ｕが第２姿勢となったか否かを再度判定する。

一方、使用者Ｕが第１姿勢になっていると判定された場合（ＳＴＥＰ５でＹＥＳの場合）には、制御部９ｄは、伝達機構９ｂを伝達モードに切り換える（図４／ＳＴＥＰ６）。

これにより、使用者Ｕには、バネ９ａに蓄積され、且つ、開放されなかった弾性力に基づく駆動力が加えられ、立ち上がる動作が補助される。

次に、制御部９ｄは、第１関節部７のセンサが検出した使用者Ｕの膝関節の角度、第２関節部８のセンサが検出した使用者Ｕの足首の関節の角度、及び、第３装具３の荷重センサ３ａが検出した床反力に基づいて、使用者Ｕの姿勢が直立した姿勢（第２姿勢）になったか否かを判定する（図４／ＳＴＥＰ７）。

具体的には、制御部９ｄは、各センサからの検出信号に基づいて、直立した姿勢になったか（図５Ｄに示す状態から図５Ｅに示す状態に遷移したか）否かを判定する。

使用者Ｕが第２姿勢になっていないと判定された場合（ＳＴＥＰ７でＮＯの場合）には、制御部９ｄは、ＳＴＥＰ７に戻り、再度判定を行う。

一方、使用者Ｕが第２姿勢になったと判定された場合（ＳＴＥＰ７でＹＥＳの場合）には、制御部９ｄは、蓄積されている弾性力を解放して、駆動機構９の状態を初期状態にリセットする（図４／ＳＴＥＰ８）。

これにより、当初の第２姿勢（図５Ａの状態）と次回の第２姿勢（図５Ｅの状態）とがわずかに異なっていた等の理由によって、使用者Ｕが第２姿勢になったにもかかわらず、バネ９ａに弾性力が蓄積されていたとしても、その弾性力が解放され、動作補助装置Ａの状態が初期化される。

最後に、制御部９ｄは、伝達機構９ｂを伝達モードに切り換えて処理を終了する（図４／ＳＴＥＰ９）。

以上説明したように、動作補助装置Ａは、駆動源として弾性部材であるバネ９ａを用いている。そのため、駆動源としてアクチュエータ等を用いた動作補助装置に比べ、必要な電力が少なく、制御部９ｄも簡易なもので良いので、軽量であり、また、稼働時間が長い。

また、動作補助装置Ａは、動作の補助を行う伝達モードと、弾性力の蓄積を維持したまま（すなわち、動作の補助を行わず）、関節が自由に動作可能な非伝達モードとを切換可能となっている。

そして、その切り換えは、第１関節部７のセンサが検出した使用者Ｕの膝関節の角度、第２関節部８のセンサが検出した使用者Ｕの足首の関節の角度、及び、第３装具３の荷重センサ３ａが検出した床反力に基づいて推定された使用者Ｕの姿勢に基づいて行われる。

また、その切り換えは、制御部９ｄが所定のトリガーイベント（使用者Ｕが第１姿勢になった後に、第２姿勢とならず所定時間が経過したこと）を認識したときに自動的に行われる。

これにより、動作補助装置Ａでは、動作の補助が必要な状態と動作の補助が不要な状態とが頻繁に切り換わるような使用環境においても、使用者Ｕが特別の操作を行わずとも、適切なタイミングで動作の補助を行うことができる。

なお、上記実施形態では、一度非伝達モードへの切り換えを行った（ＳＴＥＰ４）後、使用者Ｕの姿勢に基づいて、再度伝達モードへの切り換えを行っている（ＳＴＥＰ５，６）。これは、バネ９ａに残存している弾性力を有効活用するためである。

しかし、この制御は必ずとも行わなくてもよい。例えば、残存している弾性力を利用する必要がない場合には、ＳＴＥＰ５，６の処理を省略し、その弾性力を単純にＳＴＥＰ８のリセットで解放してしまってもよい。

また、さらに活用しやすくするために、制御モード切り換えスイッチ（例えば、使用者Ｕが口で噛むことによって反応するスイッチ等）を設けることにより、基本的には自動で切り換えが行われるが、任意のタイミングでも切り換えが可能となるように構成してもよい。

以上、図示の実施形態について説明したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態においては、動作補助装置Ａは、使用者Ｕの膝関節の動作を補助するために用いられるものである。しかし、本発明の動作補助装置は、使用者の腰、肩、肘の動作を補助するために用いられるものであってもよい。

例えば、肘の動作を補助する動作補助装置である場合には、第１姿勢を肘を伸ばした姿勢、第２姿勢を肘を曲げた姿勢とし、物を持ち上げる際に駆動力を伝達して、第２姿勢から第１姿勢になる動作を補助するように構成すればよい。このとき、制御部は、使用者の姿勢が第１姿勢から第２姿勢に遷移しようとするときに、伝達機構を非伝達状態から伝達状態に切り換えるように構成されていればよい。

また、上記実施形態においては、切換可能な伝達機構９ｂとして、遊星歯車機構ＰＧＳを採用している。しかし、本発明の伝達機構は、遊星歯車機構に限定されるものではなく、弾性部材の弾性力に基づいて駆動力を発生させるものであり、関節が所定の状態となるように動作させる伝達状態と、関節が自由に動作可能な状態とする非伝達状態とを切換可能なものであればよい。例えば、ドグクラッチ、電磁ブレーキ、ソレノイド、油圧回路等を用いて、伝達機構を構成してもよい。

また、上記実施形態においては、使用者Ｕの姿勢を検知するための姿勢検知部として、膝関節の角度、足首の関節の角度及び接地荷重を検知するセンサを用いている。しかし、本発明の姿勢検知部は、そのようなセンサに限定されるものでなく、使用者の姿勢を検知できるものであればよい。例えば、膝関節の角度、足首の関節の角度及び接地荷重を検知するセンサのいずれか１つ又は２つのみをセンサとして用いてもよい。また、腰の位置の高さを検知するジャイロセンサを用いてもよいし、外部に設置したカメラで使用者を撮影し、その撮影画像から姿勢を検知してもよい。

１…第１装具、２…第２装具、３…第３装具、３ａ…荷重センサ、４…第１フレーム、５…第２フレーム、６…第３フレーム、７…第１関節部、８…第２関節部、９…駆動機構、９ａ…バネ（弾性部材）、９ｂ…伝達機構、９ｃ…ワイヤ、９ｄ…制御部、１０…筐体、Ａ…動作補助装置、Ｂ…ブレーキ（係合機構）、Ｂ１…第１係合要素、Ｂ２…第２係合要素、Ｂ３…第３係合要素、Ｃ…キャリア（固定要素）、Ｐ…ピニオン、ＰＧＳ…遊星歯車機構、Ｒ…リングギヤ（出力要素）、Ｓ…サンギヤ（入力要素）、Ｕ…使用者。

Claims

使用者の関節の動作を補助する動作補助装置であって、
前記使用者の前記関節の一方側の部分に装着される第１装具と、
前記使用者の前記関節の他方側の部分に装着される第２装具と、
前記第１装具に接続されている第１フレームと、
前記第２装具に接続され、前記第１フレームに対する相対位置を変化可能な第２フレームと、
前記第１フレーム又は前記第２フレームに駆動力を伝達して前記第１フレームと前記第２フレームとの相対位置を変化させることによって、前記関節が所定の状態となるように、前記第１装具及び前記第２装具を介して、前記使用者の身体に力を作用させる駆動機構と、
前記使用者の姿勢を検知する姿勢検知部と、
前記駆動機構を制御する制御部とを備え、
前記駆動機構は、前記第１フレーム及び前記第２フレームの一方に固定されている弾性部材と、前記弾性部材から伝達された弾性力を前記駆動力に変換して前記第１フレーム及び前記第２フレームの他方に伝達する伝達機構とを有し、
前記弾性部材は、前記使用者の姿勢が第１姿勢となるときに前記弾性力を蓄積し、前記使用者の姿勢が第２姿勢となるときに該弾性力を解放し、
前記伝達機構は、前記関節の動作に伴って、前記弾性力を蓄積させる、又は、前記弾性力の解放に伴って、前記駆動力を伝達して前記関節を所定の状態となるように動作させる伝達状態と、前記弾性力の蓄積を維持して、前記駆動力を伝達させずに前記関節を自由に動作可能とする非伝達状態とを切換可能であり、
前記制御部は、前記使用者の姿勢が前記第１姿勢となった後であって前記第２姿勢となる前に、所定のトリガーイベントを認識したときに、自動的に前記伝達機構を非伝達状態に切り換えるように構成されていることを特徴とする動作補助装置。
請求項１に記載の動作補助装置において、
前記関節は、膝関節であり、
前記第１装具は、前記使用者の大腿部に装着され、
前記第２装具は、前記使用者の下腿部に装着され、
前記第１姿勢は、前記使用者が膝を曲げた姿勢であり、
前記第２姿勢は、前記使用者が直立した姿勢であることを特徴とする動作補助装置。
請求項１又は請求項２に記載の動作補助装置において、
前記伝達機構は、筐体と、該筐体内で回転自在な複数の要素を有する遊星歯車機構と、係合機構とを有し、
複数の前記要素は、前記第１装具及び前記第２装具のいずれか一方に前記弾性部材を介して連結されている入力要素と、前記第１装具及び前記第２装具のいずれか他方に連結されている出力要素と、固定要素とからなり、
前記係合機構は、前記制御部からの信号に基づいて、前記入力要素を回転可能な状態から固定された状態に切り換えるとともに、前記固定要素を固定された状態から回転可能な状態に切り換えることにより、前記駆動機構を前記伝達状態から前記非伝達状態に切り換え、前記入力要素を固定された状態から回転可能な状態に切り換えるとともに、前記固定要素を回転可能な状態から固定された状態に切り換えることにより、前記駆動機構を前記非伝達状態から前記伝達状態に切り換えることを特徴とする動作補助装置。
請求項３に記載の動作補助装置において、
前記入力要素は、サンギヤであり、
前記出力要素は、リングギヤであり、
前記固定要素は、キャリアであることを特徴とする動作補助装置。
請求項４に記載の動作補助装置において、
前記係合機構は、前記制御部からの信号に基づいて、前記キャリアを回転可能な状態から固定された状態に切り換えるとともに、前記サンギヤを固定された状態から、前記弾性部材に前記関節からの力を伝達して該弾性部材に前記弾性力を蓄積するように回転可能な状態に切り換えることにより、前記駆動機構を前記非伝達状態から、前記関節の動作に伴って前記弾性力を蓄積する前記伝達状態に切り換えることを特徴とする動作補助装置。
請求項４に記載の動作補助装置において、
前記係合機構は、前記制御部からの信号に基づいて、前記キャリアを回転可能な状態から固定された状態に切り換えるとともに、前記サンギヤを固定された状態から、前記弾性部材から前記弾性力を解放して該弾性力に基づく前記駆動力を前記関節に伝達するように回転可能な状態に切り換えることにより、前記駆動機構を前記非伝達状態から、前記弾性力の解放に伴って前記駆動力を伝達して前記関節を所定の状態となるように動作させる前記伝達状態に切り換えることを特徴とする動作補助装置。
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の動作補助装置において、
制御モード切り換えスイッチを備え、
前記制御部は、前記制御モード切り換えスイッチからの信号を受信したときに、前記伝達状態と前記非伝達状態とを切り換えるように構成されていることを特徴とする動作補助装置。