JP6495128B2 - 作業アシスト装置 - Google Patents

Description

本発明は、人間の作業をアシストするための作業アシスト装置に関する。

現在、産業用、医療・介護用を始めとして、人間が装着しつつも、人間の作業をアシストするようなパワードスーツの開発が進められている。このようなパワードスーツとしては、たとえば特許文献１、２に示すようなものがある。特許文献１には、背中側に本体部分を背負い、肩から腕に亘ってアーム状の部材が設けられているパワードスーツが開示されている。また、特許文献２には、特許文献１と同様に、肩から腕に亘ってアーム状の部材が連結された構成が開示されている。

特表２０１３−５０３６６５号公報 ＥＰ０１４７６４５（Ａ３）号公報

ところで、特許文献１、２に開示のパワードスーツを始めとして、現状のパワードスーツは、重い荷を持ち上げるためには適している。しかしながら、腕を前側の上方に位置させた状態で、腕を上方から手前側に引くような動作には適していない。

例えば、荷を吊るためにチェーンブロックが用いられているが、そのチェーンブロックを操作する際には、作業者がハンドチェーンを握って、ハンドチェーンを下方に牽引している。その場合、荷の重量が大きいと、ハンドチェーンを下方に牽引する力も大きくなり、作業者の負荷も大きくなっている。そして、ハンドチェーンを下方に牽引する動作を繰り返すと、作業者の疲労も大きくなるので、そのような疲労を軽減するために、パワードスーツを用いることが考えられている。

しかしながら、ハンドチェーンを下方に牽引する動作は、荷を持ち上げるような動作とは体の動かし方が異なっている。そのため、現状のパワードスーツは、ハンドチェーンを下方に牽引するような動作には用いることが難しいという問題がある。

本発明は上記の事情にもとづきなされたもので、その目的は、作業者の負荷を軽減することが可能な作業アシスト装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によると、作業時の負荷を軽減するための作業アシスト装置であって、人体の胴体に装着されると共に人体の胴体にて重量を支えるための胴支持部を備え、人体の背に位置する背面支持部を備える支持部材と、該背面支持部のうち人体の脇よりも背中寄りの部位と対向する位置に取り付けられている第１回転軸と、該第１回転軸を介して背面支持部と平行する面内で回転自在に設けられている肩回転部材と、該肩回転部材の第１回転軸から離れた部位に設けられている第１ヒンジと、一端側が肩回転部材に第１ヒンジを介して連結されていると共に、回動に際して肩回転部材に対する開き角が変化するように回動する中間フレームと、該中間フレームの他端側に設けられている第２ヒンジと、該中間フレームに第２ヒンジを介して連結され、装着時に人体の肩よりも外側に位置すると共に、回動に際して中間フレームに対する開き角が変化するように回動する肩外側フレームと、該肩外側フレームに取り付けられている第１駆動源と、前記第１駆動源の出力側に連結され、人体の上腕に取り付けられつつ当該上腕外側に沿って延伸する上腕フレームと、を具備することを特徴とする作業アシスト装置が提供される。

また、本発明の第２の観点によると、作業時の負荷を軽減するための作業アシスト装置であって、人体の胴体に装着されると共に人体の胴体にて重量を支えるための胴支持部を備え、人体の背に位置する背面支持部を備える支持部材と、該背面支持部のうち人体の脇よりも背中寄りの部位と対向する位置に取り付けられている第１回転軸と、該第１回転軸を介して背面支持部と平行する面内で回転自在に設けられている肩回転部材と、肩回転部材と背面支持部のうちのいずれか一方に取り付けられていて、背面支持部に対して肩回転部材を回動させる駆動力を与える第２駆動源と、該肩回転部材の第１回転軸から離れた部位に設けられている第１ヒンジと、一端側が肩回転部材に第１ヒンジを介して連結されていると共に、回動に際して肩回転部材に対する開き角が変化するように回動する中間フレームと、該中間フレームの他端側に設けられている第２ヒンジと、該中間フレームに第２ヒンジを介して連結され、装着時に人体の肩よりも外側に位置すると共に、回動に際して中間フレームに対する開き角が変化するように回動する肩外側フレームと、該肩外側フレームのうち中間フレームと連結されている一端側とは反対の他端側に取り付けられている第２回転軸と、該第２回転軸を介して肩外側フレームと平行する面内で回転自在に設けられている上腕フレームと、を具備することを特徴とする作業アシスト装置が提供される。

また、本発明の他の側面は、上述の発明において、肩外側フレームと上腕フレームとは、装着時に肩関節の外側位置となる箇所で連結されている、ことが好ましい。

さらに、本発明の他の側面は、上述の発明において、背面支持部と肩回転部材の間には、引張機構が設けられていて、引張機構は、作業者が装着した際に肩回転部材に対して重力に抗する向きの引っ張り力を与える、ことが好ましい。

また、本発明の他の側面は、上述の発明において、第１ヒンジと第２ヒンジは互いに平行となる回動軸をそれぞれ備え、中間フレームの中央部には、該回動軸と平行して屈曲する屈曲部が設けられている、ことが好ましい。

さらに、本発明の他の側面は、上述の発明において、第１駆動源は、制御部によって作動が制御されると共に、制御部は、第１検出器での検出によって人体の腕が腕角度閾値まで挙げられたか否かを判定すると共に、腕肩角度閾値まで挙げられたと判定された場合には、作業者が上方に上げた腕を下方に引き下げる向きに第１駆動源を駆動させる、ことが好ましい。

さらに、本発明の他の側面は、上述の発明において、肩回転部材と背面支持部のうちのいずれか一方には、背面支持部に対して肩回転部材を回動させる駆動力を与える第２駆動源が取り付けられていて、第２駆動源は、制御部によって作動が制御されると共に、制御部は、第２検出器での検出によって人体の肩が肩角度閾値まで上昇したか否かを判定すると共に、肩角度閾値まで上昇したと判定された場合には、人体の肩甲骨を下方回旋させる向きに第２駆動源を駆動させる、ことが好ましい。

本発明によれば、例えばハンドチェーンを下方に牽引するような動作において、作業者の負荷を軽減することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係るパワードスーツを人体に装着した状態を示す図である。 図１に示すパワードスーツ１０のアシスト装置部の構成を示す斜視図である。 図２に示すアシスト装置部の構成を示す背面図である。 図２に示すアシスト装置部２０の構成を示す平面図であり、（Ａ）は作業者が腕を伸ばしていない状態に対応し、（Ｂ）は作業者が腕を伸ばした状態に対応する。 人体の上半身の骨格について、上方から見た状態を示す図であり、（Ａ）は肩甲骨が外転する前の状態を示し、（Ｂ）は肩甲骨が外転した後の状態を示している。 人体にパワードスーツが装着された状態を示し、（Ａ）は腕を上げる前の状態を示し、（Ｂ）は腕を上げた状態を示している。

以下、本発明の一実施の形態に係る作業アシスト装置としてのパワードスーツについて、図面に基づいて説明する。

＜１．パワードスーツの全体構成について＞
図１は、パワードスーツ１０を人体に装着した状態を示す図である。なお、図１においては、パワードスーツ１０から背面モータ４０、上腕補助モータ８０および制御部１１０については図示を省略している。図１に示すように、パワードスーツ１０は、人体装着具１１と、アシスト装置部２０とを有している。なお、本実施の形態では、パワードスーツ１０は試作段階のものを示したり、概略的に示しているので、各部位の詳細形状が相違する場合があるが、それらの詳細形状が相違する各部位においても、その機能は同一となっている。

（１−１．人体装着具について）
人体装着具１１は、アシスト装置部２０を支持するために、人体に取り付けられる部分である。図１に示す構成では、コルセット状の人体装着具１１が図示されている。この人体装着具１１は、人体の腰部（骨盤等）にて人体に支持されるが、そのような支持を可能にするために、胴支持部１１ａが設けられている。一般的に、人体においては、腹回り（ウェスト）よりも尻回り（ヒップ）の方が、寸法が大きい。したがって、人体装着具１１の下方側の胴支持部１１ａは、人体の腹回りと尻回りに位置する境界部分に位置し、腹回りと尻回りの間の寸法差が生じている部分となっている。

なお、人体装着具１１は、アシスト装置部２０の自重を受け止めるために、所定の剛性を有している材質から形成されることが好ましい。そのような材質としては、たとえば金属、木質の合板、ＦＲＰ、炭素繊維、各種の剛性の高い樹脂等が挙げられる。

また、人体装着具は、図１に示すようなコルセット状のものには限られない。たとえば、人体装着具は、アシスト装置部２０を支持する支持部を有すると共に、その支持部がベルト等に連結されていて、そのベルトが人体に取り付けられる構成であっても良い。なお、ベルト他の種々のタイプの人体装着具には、肩と胸部のうちの少なくとも一方で支持する部分が存在していても良い。

（１−２．アシスト装置部について）
続いて、アシスト装置部２０について説明する。図２は、アシスト装置部２０の構成を示す斜視図である。図３は、アシスト装置部２０の構成を示す背面図である。図４は、アシスト装置部２０の構成を示す平面図であり、（Ａ）は作業者が腕を伸ばしていない状態に対応し、（Ｂ）は作業者が腕を伸ばした状態に対応する。

図１および図２に示すように、アシスト装置部２０は、背部フレーム２１、肩回転部材３０、背面モータ４０、引張機構５０、屈曲部材６０、モータ固定フレーム７０、上腕補助モータ８０、上腕フレーム９０、上腕用装具１００、制御部１１０等を主要な構成要素としている。

アシスト装置部２０は、人体装着具１１に取り付けると共に、作動時に与える駆動力の反力を受け止めるための背部フレーム２１を有している。背部フレーム２１は、たとえば金属製、木製、ガラス繊維や炭素繊維などで強化された強化プラスチック等を材質とするプレートのような、所定の剛性を有する材質から形成されている。なお、背部フレーム２１は、１枚のプレートから構成されていても良いが、複数のプレートから構成されていても良い。また、背部フレーム２１は背面支持部に対応するが、この背部フレーム２１は人体装着具１１と共に、支持部材に対応している。

また、図２および図４に示すように、背部フレーム２１の上方側には人体の肩にて係止される肩係止部２１ａを設けるようにしても良い。肩係止部２１ａを設ける場合、パワードスーツ１０の荷重を、肩係止部２１ａと人体装着具１１とで受け止めさせることができ、荷重の分散化を図ることができる。

背部フレーム２１には、軸受Ｂ１を介して肩回転部材３０が取り付けられている。そのため、肩回転部材３０は、背部フレーム２１に対して、この背部フレーム２１と平行な面内で回転可能に設けられている。肩回転部材３０は、プレート状の部材であり、上述したような金属や強化プラスチック等を材質としている。なお、肩回転部材３０以外の、屈曲部材６０、モータ固定フレーム７０、上腕フレーム９０等も、肩回転部材３０と同様の材質から形成されている。

なお、軸受Ｂ１としては、たとえば各種のラジアル軸受やスラスト軸受を用いることが可能である。その中でも、たとえばラジアル荷重とスラスト荷重を受け止めることが可能なアンギュラベアリング等を用いても良いが、それ以外の軸受を用いても良い（後述する軸受Ｂ２においても同様）。また、軸受Ｂ１の内側孔には、図示を省略する第１回転軸が挿入されるが、その第１回転軸は、背部フレーム２１と肩回転部材３０のいずれに存在していても良い。

ここで、肩回転部材３０には、第２駆動源としての背面モータ４０が取り付けられている。背面モータ４０は、たとえばサーボモータであり、その検出器としては、たとえばアブソリュートタイプのエンコーダ等を用いることができる。ただし、レゾルバ、ポテンショメータ等を始めとして、他の検出器を用いても良い。また、第２駆動源としては、背面モータ４０以外のものを用いても良い。たとえば、エア方式や油圧式のロータリアクチュエータ等を始めとして、種々の駆動源を利用することができる。なお、背面モータ４０は、減速機構を内蔵する構成を採用しても良い。

この背面モータ４０の出力軸側は、上述した軸受Ｂ１を介して、背部フレーム２１に取り付けられている。そのため、背面モータ４０が駆動すると、肩回転部材３０が回動するように構成されている。

この肩回転部材３０のうち、背中の中心部から遠ざかる側には、回動軸Ｈ１が取り付けられている。回動軸Ｈ１は、第１ヒンジに対応する部分であり、たとえばヒンジ機構を利用することができるが、それ以外の機構を利用しても良い。そして、肩回転部材３０には、回動軸Ｈ１を介して、屈曲部材６０が取り付けられている。

また、背部フレーム２１と肩回転部材３０の間には、引張機構５０が設けられている。引張機構５０は、第１回転軸（軸受Ｂ１）を中心として、肩回転部材３０から上腕用装具１００に亘る構造物を持ち上げる向きの付勢力を与える部分である。すなわち、肩回転部材３０から上腕用装具１００に亘る構造物は、所定の重量を有しているが、その構造物の重量により、その構造物が、第１回転軸（軸受Ｂ１）を中心として、上腕の下方側（裏側）に回り込もうとする。そのため、かかる構造物の重量を支持して人体への重量の影響を軽減するために、引張機構５０が設けられている。

図１に示すように、引張機構５０は、バネ部材５１と、フレーム側支持部５２と、アーム側支持部５３とを有している。バネ部材５１は、たとえば引っ張りバネであり、その一端側がフレーム側支持部５２に掛け止めされ、その他端側がアーム側支持部５３に掛け止めされている。ただし、バネ部材５１に代えて、引っ張り力を与える他の弾性体（たとえばゴム等）を用いても良い。フレーム側支持部５２は、バネ部材５１の一端側を掛け止めするための部材であり、たとえば長尺の板状に設けられている。このフレーム側支持部５２は、肩回転部材３０や屈曲部材６０といった、第１回転軸（軸受Ｂ１）を支点として回転する部材に設けられている。図１に示す構成では、フレーム側支持部５２は、屈曲部材６０に設けられているが、肩回転部材３０にフレーム側支持部５２を設けるように構成しても良い。

アーム側支持部５３は、バネ部材５１の他端側を掛け止めするための部材であり、たとえば長尺の板状に設けられている。このアーム側支持部５３は、背部フレーム２１に設けられている。

ここで、図３等に示すように、アーム側支持部５３は、フレーム側支持部５２よりも長く設けられている。また、フレーム側支持部５２に対するバネ部材５１の取付位置を取付部位５２ａとし、アーム側支持部５３に対するバネ部材５１の取付位置を取付部位５３ａとする。すると、取付部位５２ａよりも取付部位５３ａの方が上方に位置している。ここで、取付部位５２ａと取付部位５３ａとが同じ高さ位置である場合と比較すると、取付部位５３ａが取付部位５２ａよりも上方に位置するときの方が、バネ部材５１の引っ張り力を大きくすることができる。したがって、屈曲部材６０が回動してバネ部材５１が伸長したときに、より大きな引き戻し力を与えることが可能となっている。

なお、腕を上方に伸ばすと、図３に示す状態から、軸受Ｂ１を支点として肩回転部材３０や屈曲部材６０等が反時計回りに回動する。すると、バネ部材５１は、一層伸長する状態となる。ここで、仮に、フレーム側支持部５２の長さをアーム側支持部５３よりも長くし、取付部位５２ａが取付部位５３ａよりも上方に位置する構成を採用したとする。このとき、バネ部材５１は、図３において左側から右側に向かうと、下がる配置となる。この構成において、腕を上方に伸ばすと、図３に示す状態から、軸受Ｂ１を支点として肩回転部材３０や屈曲部材６０等が反時計回りに回動するが、このとき、バネ部材５１が水平となる位置が発生するので、バネ部材５１が縮んでしまう状態が発生し、サポート力（引き戻し力）が一時的に弱くなる状態が発生してしまう。そのため、取付部位５２ａが取付部位５３ａよりも上方に位置する構成よりは、取付部位５３ａが取付部位５２ａよりも上方に位置する構成とする方が好ましい。

また、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、屈曲部材６０は回動軸Ｈ１を支点として回動するが、腕を前方に伸ばしたときに、屈曲部材６０のうちアーム側支持部５３（取付部位５３ａ）が存在する部分は、肩回転部材３０に対して、直線状となることが好ましい。この場合には、腕を前方に伸ばしたときに、バネ部材５１は、腕を後方に戻すための最大の引き戻し力（サポート力）を与えるので、一層好ましい。

このような引張機構５０の存在により、肩回転部材３０から上腕用装具１００に亘る構造物の重量が、人体に作用するのを大幅に軽減することができる。また、作業者の腕を上方に向かうように伸ばす場合、それに連動して肩甲骨Ｓ１（図５参照）も上方回旋するが、バネ部材５１の付勢力が加わることで、そのような上方へ腕を伸ばす動作の負荷が軽減される。なお、上述の構造物の重量を大幅に軽減できる場合、作業者は非常に軽い力で、肩を上方に持ち上げるような動作を行うことができる。この場合には、アシスト装置部２０は、背面モータ４０を省略する構成を採用しても良い。また、上述の引張機構５０での負荷軽減に代えて、背面モータ４０の駆動によるアシスト力を加え、そのアシスト力で肩回転部材３０を回転させることで、肩回転部材３０から上腕用装具１００に亘る構造物の重量が、人体に作用するのを大幅に軽減するようにしても良い。

なお、バネ部材５１の付勢力は、人体にパワードスーツ１０を装着し、腕を前方や上方に伸ばしたときに、肩回転部材３０から上腕用装具１００に亘る構造物の重量を軽減することが好ましい。また、バネ部材５１の付勢力は、肩回転部材３０から上腕用装具１００に亘る構造物の重量を軽減するのに加えて、作業者の腕全体の重量を軽減することが好ましい。

屈曲部材６０は、図２や図４等に示すように、中途部分で屈曲しているプレート状の部材であり、中間フレームに対応する。この屈曲部材６０は、その一端側で上述した回動軸Ｈ１に取り付けられている。また、屈曲部材６０の他端側には、上述した回動軸Ｈ１と同様の回動軸Ｈ２が取り付けられている。なお、回動軸Ｈ２は、第２ヒンジに対応している。

また、屈曲部材６０のうち、一端側と他端側を結ぶ延伸方向の中途部分は、上述のように屈曲しているが、その部分を屈曲部６１とする。屈曲部６１は、人体の肩の側面を避けるために、屈曲部材６０の延伸方向の中途部分のうち人体と向かい合う面側を凹ませることで構成されている。かかる屈曲部６１の存在により、図４（Ａ）から図４（Ｂ）に示すように、腕が前方に伸びていない状態から、前方に伸びたときに、屈曲部材６０が人体と干渉するのを防ぐことができる。

また、屈曲部材６０には、回動軸Ｈ２を介して、モータ固定フレーム７０が取り付けられている。モータ固定フレーム７０は、上腕補助モータ８０が固定されるフレーム部材であり、肩外側フレームに対応する。モータ固定フレーム７０は、具体的には、図２に示すように、モータ固定フレーム７０の延伸方向のうち、回動軸Ｈ２とは反対の他端側には、第１駆動源としての上腕補助モータ８０が取り付けられている。上腕補助モータ８０は、人体と向き合う面とは反対側の面に取り付けられている。

なお、上腕補助モータ８０の作動により上腕フレーム９０にアシスト力を与えるためには、上腕補助モータ８０の出力軸の軸線は、上腕フレーム９０が回動することでなす平面に対して直交する向きに沿っている。それにより、上腕フレーム９０が上腕に沿うように取り付けられた場合に、その上腕を上下動させる向きの回動力を与えることが可能となっている。

上腕補助モータ８０は、上述した背面モータ４０と同様に、たとえばサーボモータであり、その検出器としては、たとえばアブソリュートタイプのエンコーダ等を用いることができる。なお、レゾルバ、ポテンショメータ等を始めとして、他の検出器を用いても良い。また、第１駆動源としては、上腕補助モータ８０以外のものを用いても良い。たとえば、エア方式や油圧式のロータリアクチュエータ等を始めとして、種々の駆動源を利用することができる。

また、上腕補助モータ８０の出力軸側には、軸受Ｂ２を介して、上腕フレーム９０が取り付けられている。図１および図２に示すように、上腕フレーム９０は、長尺のプレート部材であり、人体の上腕が伸びる方向を延伸方向とするように、作業者に取り付けられる。また、上腕フレーム９０は、モータ固定フレーム７０よりも人体側に位置するように軸受Ｂ２に取り付けられている。なお、上述した上腕補助モータ８０の出力軸は、第２回転軸に対応する。

また、上腕フレーム９０には、上腕用装具１００が取り付けられている。上腕用装具１００は、上腕フレーム９０を上腕に固定するための部材である。図２に示す構成では、上腕用装具１００の一例として、断面が略Ｕ字形状のカバーが示されている。ただし、上腕用装具１００は、図示を省略するベルト等により、上腕の腕周りを囲みつつ、上腕に締結される構成とすることが好ましい。また、上腕用装具１００は、図２に示す構成以外にも、図１に示すようなベルト等の締結手段から構成されていても良い。上腕用装具１００としてベルトを用いる場合には、そのベルトは単数ではなく複数存在することが好ましい。そして、上腕フレーム９０の延伸方向の離れた位置に、少なくとも２箇所以上にベルトが配置される構成とすることが好ましい。

なお、上腕フレーム９０の他端側には、軸受Ｂ３を設け、さらにはこの軸受Ｂ３を介して図示を省略する前腕アシスト部材を設ける構成としても良い。この場合、前腕では回内や回外といった動作が生じる点を考慮して、より自由度の高い機構を設けることが好ましい。

制御部１１０（図４参照）は、背面モータ４０や上腕補助モータ８０の駆動を制御する部分であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭや不揮発性メモリ等のメモリ、入出力インターフェイス、モータドライバ等を備えている。制御部１１０は、たとえば、ある一定角度（肩角度閾値）まで肩が上がり、さらにある一定角度（腕角度閾値）まで腕が上がったか否かを判定する。なお、肩の角度の検出は、たとえばサーボモータである上腕補助モータ８０が備える検出器によって行い、腕の角度の検出は、たとえばサーボモータである背面モータ４０が備える検出器によって行う。ただし、これらの検出のために、専用の検出器を備える構成としても良い。

そして、肩が一定角度まで上がり、腕も一定角度まで上がったと判断される場合に、背面モータ４０や上腕補助モータ８０が駆動されて、作業者のハンドチェーンを下方に牽引する動作のアシストを開始する。なお、制御部１１０は、パワードスーツ１０のどの部位に取り付けられていても良いが、その取付部位の一例としては、たとえば背部フレーム２１が挙げられる。

なお、パワードスーツ１０は、この他に、各種のセンサを用いる構成としても良い。たとえば、作業者の負荷を軽減するためには、作業者が力を入れたときに、それに応じたアシスト力が背面モータ４０や上腕補助モータ８０によって与えられることが好ましい。その場合、ハンドチェーンを引いても動かない場合等を考慮すると、人体の表面筋肉の電位を計測する筋電位センサ等を用いたり、力センサを用いる構成としても良い。

また、パワードスーツ１０には、これ以外にも、電力を背面モータ４０や上腕補助モータ８０に供給したり、これら背面モータ４０や上腕補助モータ８０等の間で信号を送信するためのケーブルを備えていても良い。また、電源を備えていても良く、別途の商用電源が供給される場合には、その商用電源を背面モータ４０や上腕補助モータ８０、各種のセンサ等を駆動するための電力に変換するための変換手段を備えても良い。

＜２．パワードスーツの動作について＞
続いて、上述した構成のパワードスーツ１０の動作について、以下に説明する。図５は、人体の上半身の骨格について、上方から見た状態を示す図であり、（Ａ）は肩甲骨Ｓ１が外転する前の状態を示し、（Ｂ）は肩甲骨Ｓ１が外転した後の状態を示している。また、図６は、人体にパワードスーツ１０が装着された状態を示し、（Ａ）は腕を上げる前の状態を示し、（Ｂ）は腕を上げた状態を示している。

たとえばチェーンブロックを操作する場合、作業者は、図６（Ａ）に示すように腕を下に向けて垂らしている状態から、図６（Ｂ）に示すように上方に腕を上げつつ前方に位置するハンドチェーンに向けて腕を伸ばし、そのハンドチェーンを握ることになる。

ここで、作業者が腕を自然に下に向けて垂らしている状態では、上腕は外旋しており、また前腕は回内した状態となっている。その状態からハンドチェーンを握る場合、腕は、前方に伸ばされつつ、手が上方に位置するように上方にも伸ばされる。このとき、肩甲骨Ｓ１は、図５（Ａ）に示す状態から上方回旋しつつ、図５（Ｂ）に示すように、外転して前方にも移動する。なお、図５（Ａ），（Ｂ）における基準線Ｌに対する肩甲骨Ｓ１、鎖骨Ｓ２および上腕骨Ｓ３の位置から明らかなように、肩甲骨Ｓ１の外転においては、肩鎖関節側が前方に移動するように鎖骨Ｓ２が回動し、その回動に伴って肩甲骨Ｓ１が外転する。また、このような肩甲骨Ｓ１の移動に伴い、上腕骨Ｓ３が前方に移動する。また、前腕は回内を維持するが、上腕が内旋する。

ここで、作業者がパワードスーツ１０を装着した場合、肩甲骨Ｓ１が上方回旋する動作は、図１および図３に示すように、引張機構５０のバネ部材５１が引っ張り力を与えることによって、必要とされる力が軽減される。したがって、作業者は軽い力で、腕を上方に上げつつ、前方に伸ばすことができる。また、引張機構５０の存在により、肩回転部材３０から上腕用装具１００に亘る構造物が、その自重により、軸受Ｂ１を支点として、肩甲骨Ｓ１が下方回旋するように回動しようとするのを防止可能となっている。

また、肩甲骨Ｓ１の上方回旋に伴って軸受Ｂ１を支点として肩回転部材３０が回転するので、屈曲部材６０、モータ固定フレーム７０および上腕フレーム９０も、軸受Ｂ１を支点として回動する。これらの回動は、上腕の内旋に沿ったものであり、作業者に違和感を与えるものではない。

また、背面モータ４０が設けられている場合には、引張機構５０のアシストに加えて、制御部１１０は背面モータ４０を作動させる。それにより、肩甲骨Ｓ１が上方回旋するようなアシスト力が与えられる。また、制御部１１０は、上腕補助モータ８０も作動させる。それにより、上腕を上に持ち上げるようなアシスト力が与えられる。

このようなアシスト力等を受けながら、作業者は、腕を前方に伸ばしつつ、上方に持ち上げる。なお、作業者の肩周りには、回動軸Ｈ１および回動軸Ｈ２という２つの関節部位が存在している。そのため、パワードスーツ１０のうち屈曲部材６０から前側の部位は、腕を前方に伸ばすような動きをしても、腕と干渉することがなく、腕を伸ばす動きに追従させることが可能となっている。

以上のようにして、作業者がハンドチェーンを掴む。このとき、肩が一定角度まで上がると共に、腕が一定角度まで上がった状態としておく。その後に、作業者がハンドチェーンを下方に牽引する動作を開始すると、制御部１１０は、先ほどとは逆向きに上腕補助モータ８０を作動させて、ハンドチェーンを下方に牽引する動作のアシストを開始する。この場合、上腕補助モータ８０の作動により、上腕フレーム９０は、下方に向かうように回動させられ、それによって作業者の肘が下に下がるようなアシスト力が与えられる。

また、背面モータ４０が設けられている場合には、制御部１１０は、先ほどとは逆向きに背面モータ４０を作動させて、軸受Ｂ１を支点として、肩甲骨Ｓ１が下方回旋するようなアシスト力を与えるようにしても良い。その場合、作業者は、比較的軽い力で、ハンドチェーンを下方に牽引することができる。

なお、背面モータ４０は、肩甲骨Ｓ１が上方回旋するのをロックするような作動を行っても良い。すなわち、上腕補助モータ８０が作動して、上腕フレーム９０が下方に向かうように回動させると、その回動に対して反対向きの回転モーメントにより反力が発生する。そして、その反力は、モータ固定フレーム７０、屈曲部材６０および肩回転部材３０に伝わる。そして、この反力によって、肩甲骨Ｓ１が上方回旋するように、モータ固定フレーム７０、屈曲部材６０および肩回転部材３０が回動しようとする。

ここで、ハンドチェーンを掴む場合には肩甲骨Ｓ１が上方回旋するが、ハンドチェーンを下方に牽引する場合、肩甲骨Ｓ１は下方回旋するのが作業者にとって自然な姿勢である。したがって、上述のような反力が生じた際に、さらなる肩甲骨Ｓ１の上方回旋を抑えるために、背面モータ４０は、肩甲骨Ｓ１が上方回旋するのをロックするような作動を行っても良い。

＜３．効果について＞
以上のような構成のパワードスーツ１０によると、肩回転部材３０は、背部フレーム２１のうち人体の肩甲骨Ｓ１の背中寄りの部位と対向する位置に存在する第１回転軸（軸受Ｂ１）を介して回転自在に設けられている。したがって、肩甲骨Ｓ１が上方回旋し、それによって腕が上方に移動しても、肩回転部材３０から上腕用装具１００までの構造物を、その上方回旋の動きに追従させることができる。したがって、構造物によって腕の動きに支障が生じることを抑制することができ、腕を上方に上げる場合でも、違和感の少ない動作を実現することができる。

また、肩回転部材３０には回動軸Ｈ１を介して屈曲部材６０が連結されていて、その屈曲部材６０は、回動軸Ｈ２を介してモータ固定フレーム７０に連結されている。さらに、モータ固定フレーム７０は、装着時に人体の肩よりも外側に位置している。したがって、肩の外側には、２つの回動支点（回動軸Ｈ１，Ｈ２）が存在する状態となる。そのため、人体の肩周りには二重関節が存在する状態となり、パワードスーツ１０を装着した際の肩周りの動きの自由度を確保することが可能となる。

また、回動軸Ｈ１は、屈曲部材６０と肩回転部材３０の間の開き角を変化させるような回動を可能とするが、その開閉方向と直交する向きに屈曲部材６０と肩回転部材３０を回動させようとしても、その回動を阻止する剛性を有している。加えて、回動軸Ｈ２は、屈曲部材６０とモータ固定フレーム７０の間の開き角を変化させるような回動を可能とするが、その開閉方向と直交する向きに屈曲部材６０とモータ固定フレーム７０を回動させようとしても、その回動を阻止する剛性を有している。したがって、上腕が内旋したり外旋する場合でも、肩回転部材３０から上腕用装具１００までの構造物は、それらの動きに追従させることができる。

さらに、モータ固定フレーム７０には上腕補助モータ８０が取り付けられていて、その上腕補助モータ８０の出力軸側には、上腕フレーム９０が取り付けられている。したがって、作業者が腕を上方かつ前方に位置させ、ハンドチェーンを手で掴み、その状態で上腕補助モータ８０が作動すると、ハンドチェーンを下方に牽引する動作をアシストすることができる。それにより、作業者は、軽い力で、ハンドチェーンを下方に牽引することができる。したがって、作業者の肩や腕、またはこれに連動する背部の筋肉の負担を軽減することが可能となる。それにより、作業者の疲労を軽減することが可能となる。

また、本実施の形態では、モータ固定フレーム７０と上腕フレーム９０とは、装着時に肩関節の外側位置となる箇所で連結されている。このため、肩甲骨Ｓ１の上方回旋や外転といった肩甲骨Ｓ１の動きに追従させ易くなる。

また、本実施の形態では、背部フレーム２１と肩回転部材３０の間には、引張機構５０が設けられている。そして、この引張機構５０は、作業者がパワードスーツ１０を装着した際に肩回転部材３０に対して重力に抗する向きの引っ張り力を与えている。ここで、引張機構５０が設けられていない場合には、肩回転部材３０から上腕用装具１００に亘る構造物は、所定の重量を有しているが、その構造物の重量により、その構造物が、第１回転軸（軸受Ｂ１）を中心として、上腕の下方側（裏側）に回り込もうとする。その重量に抗するために、肩や上腕、背部の筋肉を使うと、その分だけ作業者が疲労してしまう。しかしながら、引張機構５０を設けることにより、肩回転部材３０から上腕用装具１００までの構造物の重量を、引張機構５０が備えるバネ部材５１にて支持させることができ、かかる構造物の人体への影響を低減することで、作業者の疲労を低減させることができる。

さらに、本実施の形態では、本実施の形態では、回動軸Ｈ１と回動軸Ｈ２は、互いに平行となっている。また、屈曲部材６０の中央部には、これらの回動軸Ｈ１，Ｈ２と平行して屈曲する屈曲部６１が設けられている。ここで、作業者が腕を前方に伸ばすと、その動作に伴ってモータ固定フレーム７０から上腕用装具１００にかけての部位が前方に移動する。このとき、屈曲部材６０が回動軸Ｈ１を支点として回動すると、屈曲部材６０は肩に近づいていく。しかしながら、屈曲部材６０には屈曲部６１が設けられているので、肩に屈曲部材６０が近づいても、屈曲部材６０が肩と干渉してしまうのを避けることが可能となる。

また、本実施の形態では、上腕補助モータ８０は、制御部１１０によって作動が制御されると共に、制御部１１０は、検出器での検出によって人体の腕が腕角度閾値まで挙げられたか否かを判定する。加えて、制御部１１０が腕角度閾値まで挙げられたと判定した場合には、制御部１１０は、作業者が上方に上げた腕を下方に引き下げる向きに上腕補助モータ８０を駆動させる。このため、作業者は、腕を上に挙げることで、ハンドチェーンを下方に牽引するためのアシスト力が得られるので、上腕補助モータ８０を作動させるためにスイッチ等を押し込む必要がない。それにより、作業者は時間的なロスなくハンドチェーンを下方に牽引することが可能となり、作業性を向上させることが可能となる。

さらに、本実施の形態では、背部フレーム２１には背面モータ４０が取り付けられていて、その背面モータ４０によって肩回転部材３０を回動させる駆動力が与えられる。また、背面モータ４０は、制御部１１０によって作動が制御されると共に、制御部１１０は、検出器での検出によって人体の肩が肩角度閾値まで上昇したか否かを判定する。加えて、制御部１１０が肩角度閾値まで上昇したと判定した場合には、制御部１１０は、作業者が把持するハンドチェーンを下方に牽引するのをアシストする向きに、背面モータ４０を駆動させる。このため、作業者は、腕を上方に移動させることで、ハンドチェーンを下方に牽引するためのアシスト力が得られるので、背面モータ４０を作動させるためにスイッチ等を押し込む必要がない。それにより、作業者は時間的なロスなくハンドチェーンを下方に牽引することが可能となり、作業性を向上させることが可能となる。

＜４．変形例＞
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれ以外にも種々変形可能となっている。以下、それについて述べる。

上述の実施の形態では、中間フレームとしての屈曲部材６０には屈曲部６１が設けられている。しかしながら、屈曲部材６０は、屈曲部６１を備えない構成としても良い。たとえば、回動軸Ｈ２の位置が、図４（Ａ）に示す位置よりも人体の後方側に位置する場合には、作業者が腕を前方に伸ばした際に、屈曲部材６０が回動軸Ｈ１を支点として回動しても、屈曲部材６０は肩と干渉しない状態とすることができる。したがって、屈曲部材６０に屈曲部６１を設けない構成を採用しても良い。

また、上述の実施の形態では、制御部１１０は、検出器での検出によって、人体の腕が腕角度閾値まで上昇したと判定した場合には、ハンドチェーンを下方に牽引する向きに上腕補助モータ８０を駆動させるようにしている。また、制御部１１０は、検出器での検出によって、人体の肩が肩角度閾値まで上昇したと判定した場合には、ハンドチェーンを下方に牽引するのをアシストする向きに、背面モータ４０を駆動させるようにしている。しかしながら、作業者の手に圧力センサを配置する構成とし、その圧力センサにて、ハンドチェーンを所定の圧力以上で握ったことを検知した場合に、制御部１１０は、上腕補助モータ８０と背面モータ４０のうちの少なくとも一方を作動させるように、制御しても良い。

上述の実施の形態では、パワードスーツ１０は、第１駆動源に対応する上腕補助モータ８０と第２駆動源に対応する背面モータ４０とを備えている。しかしながら、パワードスーツは、第１駆動源に対応する上腕補助モータ８０を省略する構成を採用しても良く、また第２駆動源に対応する背面モータ４０を省略する構成を採用しても良い。なお、上腕補助モータ８０を省略する構成を採用する場合、モータ固定フレーム７０には軸受Ｂ２を介して上腕フレーム９０が連結される構成とするのが好ましい。この場合、軸受Ｂ２の内側孔には、図示を省略する第２回転軸が挿入されるが、その第１回転軸は、モータ固定フレーム７０と上腕フレーム９０のいずれに存在していても良い。

また、上述の実施の形態では、パワードスーツ１０は、チェーンブロックにおけるハンドチェーンを下方に牽引する場合について説明している。しかしながら、かかる用途以外にパワードスーツ１０を用いても良いのは勿論であり、たとえば、重量物を持ち上げる場合に、パワードスーツ１０を用いても良い。また、比較的高い位置との間で、荷物を上昇・加工させる場合等にも、パワードスーツ１０を用いることが可能となる。また、パワードスーツ１０は、これら以外にも、作業者に負荷が生じれば、あらゆる種類の作業にパワードスーツ１０を用いることが可能である。

１０…パワードスーツ（作業アシスト装置に対応）、１１…人体装着具、１１ａ…胴支持部、２０…アシスト装置部、２１…背部フレーム、３０…肩回転部材、４０…背面モータ（第２駆動源に対応）、５０…引張機構、５１…バネ部材、５２…フレーム側支持部、５３…アーム側支持部、６０…屈曲部材（中間フレームに対応）、６１…屈曲部、７０…モータ固定フレーム（肩外側フレーム）、８０…上腕補助モータ（第１駆動源に対応）、９０…上腕フレーム、１００…上腕用装具、１１０…制御部、Ｂ１，Ｂ２…軸受、Ｈ１…回動軸（第１ヒンジに対応）、Ｈ２…回動軸（第２ヒンジに対応）、Ｌ…基準線、Ｓ１…肩甲骨、Ｓ２…鎖骨、Ｓ３…上腕骨

Claims (7)

1. 作業時の負荷を軽減するための作業アシスト装置であって、
   人体の胴体に装着されると共に人体の胴体にて重量を支えるための胴支持部を備え、人体の背に位置する背面支持部を備える支持部材と、
   該背面支持部のうち人体の脇よりも背中寄りの部位と対向する位置に取り付けられている第１回転軸と、
   該第１回転軸を介して前記背面支持部と平行する面内で回転自在に設けられている肩回転部材と、
   該肩回転部材の前記第１回転軸から離れた部位に設けられている第１ヒンジと、
   一端側が前記肩回転部材に前記第１ヒンジを介して連結されていると共に、回動に際して前記肩回転部材に対する開き角が変化するように回動する中間フレームと、
   該中間フレームの他端側に設けられている第２ヒンジと、
   該中間フレームに前記第２ヒンジを介して連結され、装着時に人体の肩よりも外側に位置すると共に、回動に際して前記中間フレームに対する開き角が変化するように回動する肩外側フレームと、
   該肩外側フレームに取り付けられている第１駆動源と、
   前記第１駆動源の出力側に連結され、人体の上腕に取り付けられつつ当該上腕外側に沿って延伸する上腕フレームと、
   を具備することを特徴とする作業アシスト装置。
2. 作業時の負荷を軽減するための作業アシスト装置であって、
   人体の胴体に装着されると共に人体の胴体にて重量を支えるための胴支持部を備え、人体の背に位置する背面支持部を備える支持部材と、
   該背面支持部のうち人体の脇よりも背中寄りの部位と対向する位置に取り付けられている第１回転軸と、
   該第１回転軸を介して前記背面支持部と平行する面内で回転自在に設けられている肩回転部材と、
   前記肩回転部材と前記背面支持部のうちのいずれか一方に取り付けられていて、前記背面支持部に対して前記肩回転部材を回動させる駆動力を与える第２駆動源と、
   該肩回転部材の前記第１回転軸から離れた部位に設けられている第１ヒンジと、
   一端側が前記肩回転部材に前記第１ヒンジを介して連結されていると共に、回動に際して前記肩回転部材に対する開き角が変化するように回動する中間フレームと、
   該中間フレームの他端側に設けられている第２ヒンジと、
   該中間フレームに前記第２ヒンジを介して連結され、装着時に人体の肩よりも外側に位置すると共に、回動に際して前記中間フレームに対する開き角が変化するように回動する肩外側フレームと、
   該肩外側フレームのうち前記中間フレームと連結されている一端側とは反対の他端側に取り付けられている第２回転軸と、
   該第２回転軸を介して前記肩外側フレームと平行する面内で回転自在に設けられている上腕フレームと、
   を具備することを特徴とする作業アシスト装置。
3. 前記肩外側フレームと前記上腕フレームとは、装着時に肩関節の外側位置となる箇所で連結されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の作業アシスト装置。
4. 前記背面支持部と前記肩回転部材の間には、引張機構が設けられていて、前記引張機構は、作業者が装着した際に前記肩回転部材に対して重力に抗する向きの引っ張り力を与える、
   ことを特徴する請求項１から３のいずれか１項に記載の作業アシスト装置。
5. 前記第１ヒンジと前記第２ヒンジは互いに平行となる回動軸をそれぞれ備え、
   前記中間フレームの中央部には、該回動軸と平行して屈曲する屈曲部が設けられている、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の作業アシスト装置。
6. 前記第１駆動源は、制御部によって作動が制御されると共に、
   該制御部は、第１検出器での検出によって人体の腕が腕角度閾値まで挙げられたか否かを判定すると共に、腕肩角度閾値まで挙げられたと判定された場合には、作業者が上方に上げた腕を下方に引き下げる向きに前記第１駆動源を駆動させる、
   ことを特徴とする請求項１記載の作業アシスト装置。
7. 前記肩回転部材と前記背面支持部のうちのいずれか一方には、前記背面支持部に対して前記肩回転部材を回動させる駆動力を与える第２駆動源が取り付けられていて、
   前記第２駆動源は、制御部によって作動が制御されると共に、
   前記制御部は、第２検出器での検出によって人体の肩が肩角度閾値まで上昇したか否かを判定すると共に、前記肩角度閾値まで上昇したと判定された場合には、人体の肩甲骨を下方回旋させる向きに前記第２駆動源を駆動させる、
   ことを特徴とする請求項１または６記載の作業アシスト装置。

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