動力装置、動力システム、および動力制御方法
【課題】小容量のバッテリを用いつつ、かつ、稼働時間を延ばすことができる動力装置を提供する。
【解決手段】体部位の動作に合わせて可動する可動手段１０と、身体部位の第１動作方向への動作時に、可動手段１０を第１動作方向へ可動させるように可動手段１０に対して動力を出力し、身体部位の第２動作方向への動作時に、可動手段１０の第２動作方向への可動で生じる動力を回生するモータ２０と、動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力する際に蓄電した回生電力をモータ２０に供給するキャパシタ４０と、を有する動力装置。
【解決手段】体部位の動作に合わせて可動する可動手段１０と、身体部位の第１動作方向への動作時に、可動手段１０を第１動作方向へ可動させるように可動手段１０に対して動力を出力し、身体部位の第２動作方向への動作時に、可動手段１０の第２動作方向への可動で生じる動力を回生するモータ２０と、動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力する際に蓄電した回生電力をモータ２０に供給するキャパシタ４０と、を有する動力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、動力装置、動力システム、および動力制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、身体障害者、高齢者、および作業従事者等の動作を補助・代行する動作補助装具や、人間の筋力を増強するロボットスーツなどの動力装置が開発されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、従来の動力装置は、通常、装置自体の重量の観点から、軽量な小容量のバッテリを搭載している。搭載されるバッテリとしては、たとえば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池が挙げられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】"Robot Watch"、[online]、[平成21年11月24日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://robot.watch.impress.co.jp/cda/news/2008/11/07/1427.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の動力装置に搭載される小容量のバッテリは、稼働時間が短時間（たとえば、１〜３時間）であることから、通常、ユーザは予備のバッテリを持ち歩かなければならず、ユーザにとって大きな負担と手間を要してしまっていた。
【０００６】
また、従来の動力装置で用いられるバッテリは、内部抵抗が高くサイクル寿命が短いために、高頻度で一時的に電力を発生するエネルギー源を利用してバッテリを充電することは現実的に困難であった。
【０００７】
したがって、従来の小容量のバッテリを用いつつ、かつ、稼働時間を延ばすことができる動力装置、動力システム、および動力制御方法を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示による動力装置は、身体部位の動作に合わせて可動する可動手段と、前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記可動手段を前記第１動作方向へ可動させるように前記可動手段に対して動力を出力し、前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生するモータと、前記動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記蓄電した回生電力を前記モータに供給するキャパシタと、を有する。
【０００９】
また、本開示による動力装置は、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記モータにバッテリ電力を供給するバッテリをさらに有することができる。
【００１０】
さらに、本開示による動力装置は、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する第１モードと、前記可動手段の可動で生じる動力を回生する第２モードとの切換えを制御する制御手段をさらに有することができる。
【００１１】
さらに、本開示による動力装置は、前記制御手段が、前記第１モードにおいて、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されている場合、前記バッテリから前記モータへのバッテリ電力の供給を遮断して、前記キャパシタから前記モータに前記回生電力を供給し、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されていない場合、前記バッテリから前記モータに前記バッテリ電力を供給するようにさらに制御することができる。
【００１２】
さらに、本開示による動力装置は、前記制御手段が、前記第２モードにおいて、前記キャパシタの電圧値が最大値でない場合、前記回生電圧をキャパシタに供給し、前記キャパシタの電圧値が最大値である場合、前記回生電圧を負荷器に供給するように制御することができる。
【００１３】
さらに、本開示による動力装置は、前記制御手段が、可動手段が非可動時であって、前記キャパシタに前記回生電力が蓄電されている場合、前記キャパシタから前記バッテリに前記回生電力を供給することもできる。
【００１４】
さらに、本開示による動力装置は、前記身体部位の加速度を計測する加速度センサをさらに有し、前記制御手段が、前記計測した加速度が重力方向と反対方向の成分を含む場合に前記第１モードに切換え、前記計測した加速度が重力方向の成分を含む場合に前記第２モードに切換えて制御することができる。
【００１５】
さらに、本開示による動力装置は、前記身体部位の筋電位を測定する筋電計をさらに有し、前記制御手段は、前記第２モードにおいて、前記測定した筋電位に応じて前記モータの回生負荷を制御する。
【００１６】
さらに、本開示による動力装置は、前記身体部位の筋電位を測定する筋電計をさらに有し、前記制御手段が、前記測定した筋電位が前記第１動作方向への動作に応じた電位である場合に前記第１モードに切換え、前記測定した筋電位が前記第２動作方向への動作に応じた電位である場合に前記第２モードに切換えて制御することができる。
【００１７】
本開示による動力システムは、身体部位の動作方向に合わせて可動する第１可動手段、前記身体部位の動作時に前記第１可動手段の可動で生じる動力を回生するモータ、該動力の回生によって生じた回生電力を前記第１動力装置に送電する送電手段を有する第１動力装置と、身体部位の動作方向に合わせて可動する第２可動手段、前記送電された回生電力を受電する受電手段、および前記身体部位の動作時に前記回生電力が供給され、前記可動手段に対して動力を出力するモータを有する第２動力装置と、を有し、前記第１動力装置または前記第２動力装置は、前記回生電力を蓄電するキャパシタを含む。
【００１８】
本開示による動力制御方法は、上記に記載の動力装置を制御する動力制御方法であって、前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記モータが前記キャパシタから回生電力の供給を受けて前記可動手段に対して動力を出力することと、前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記モータが前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生し、前記動力の回生によって生じた回生電力を前記キャパシタに蓄電することと、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態の動力装置１００の概略構成を示すブロック図である。
【図２ａ】本実施形態の動力装置１００の概略的な外観図を示す。
【図２ｂ】本実施形態の動力装置１００の概略的な外観図を示す。
【図２ｃ】本実施形態の動力装置１００の概略的な外観図を示す。
【図３】本実施形態の動力装置１００の動作モードおよび回生モードそれぞれにおけるキャパシタ容量、バッテリ、キャパシタの関係を表す図である。
【図４ａ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図４ｂ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図４ｃ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図４ｄ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図４ｅ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図５ａ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法におけるフローチャートの一例を示す。
【図５ｂ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法におけるフローチャートの一例を示す。
【図６】本実施形態の動力装置１００の使用例の１つを示す図である。
【図７】本実施形態の動力システム１の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本実施形態の動力システム１の概略的な外観図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本開示を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る動力装置１００の概略構成を示すブロック図である。また、図２は、本実施形態に係る動力装置１００の概略的な外観図を示す。
【００２２】
動力装置１００は、人間の身体部位に装着して人間の動作をサポートする装置であって、図１に示すように、可動手段１０、モータ２０、バッテリ３０、キャパシタ４０、負荷器５０、電圧計６０、加速度センサ７０、およびコントローラ８０を含む。なお、動力装置１００は、バッテリ３０、キャパシタ４０、負荷器５０、電圧計６０、加速度センサ７０、およびコントローラ８０を格納する格納部１１０（図２ａ〜図２ｃ参照）を有することができる。
【００２３】
可動手段１０は、屈曲動作を行う身体部位（たとえば、腰部、肘部、膝部など）の動作に合わせて可動する。可動手段１０は、屈曲動作を行う身体部位を挟んで身体に装着するためのサポート部１１、およびサポート部１１と一体的に構成され、屈曲動作を行う身体部位付近で回動する回動機構を備えたリンク部１２を有する。
【００２４】
可動手段１０は、たとえば、屈曲動作を行う身体部位として腰部の動作に合わせて可動する場合、図２ａに示すように、サポート部が腹部と両足の太腿部とにそれぞれ装着され、身体部位の座る動作、立つ動作に合わせてリンク部１２が回動する。また、可動手段１０は、腰部の動作に合わせて可動する場合に限られず、他にも、たとえば、図２ｂに示すように、膝部の動作に合わせて可動する場合や、図２ｃに示すように、肘部の動作に合わせて可動する場合がある。なお、可動手段１０自体の構成および材質は、原則として、従来の動作補助装具やロボットスーツなどの可動手段と同様とすることができるのでここでの詳細な説明は省略する。
【００２５】
モータ２０は、身体部位の第１動作方向への動作時に、可動手段１０を第１動作方向へ可動させるように可動手段１０の回動機構に対して動力を出力し、身体部位の第２動作方向への動作時に、可動手段１０の第２動作方向への可動で生じる動力を回生する。第１動作方向および第２動作方向については、たとえば、図２ａに示すように、可動手段１０が屈曲動作を行う身体部位として腰部の動作に合わせて可動する場合、第１動作方向を立つ動作の方向（リンク部が回動機構を中心として開く方向）とし、第２動作方向を座る動作の方向（リンク部が回動機構を中心として閉まる方向）とすることができる。特に、第２動作方向を、位置エネルギーを回収可能な方向に設定することで、効率的に動力を回生することができる。モータ２０は、図２ａ〜２ｃに示すように、たとえば、可動手段１０の回動機構を回動するための動力を供給可能に配される。なお、モータ２０自体は、一般的なモータ（たとえば、ＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータなど）を用いることができるので、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
バッテリ３０は、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力する際にモータ２０にバッテリ電力を供給する電源である。なお、バッテリ３０は、たとえば、リチウムイオン電池およびニッケル水素電池などの二次電池であってよい。
【００２７】
キャパシタ４０は、モータ２０の動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力する際に蓄電した回生電力をモータ２０に供給する電源である。キャパシタ４０は、内部抵抗が低く、高頻度で一時的に電力を蓄電可能なキャパシタ、たとえば、電気２重層キャパシタ（ウルトラキャパシタ）を用いる。なお、キャパシタ４０は、上記ウルトラキャパシタを用いる場合に限られず、モータの動作の回生によって生じた回生電力を蓄電可能なキャパシタを用いることができる。
【００２８】
負荷器５０は、モータ２０の動力の回生によって生じた回生電力を消費するものであって、たとえば、抵抗器である。負荷器５０は、上記回生電力のキャパシタ４０への蓄電がＦＵＬＬになったときに、回生電力が供給される。
【００２９】
電圧計６０は、キャパシタ４０の電圧値を測定する。電圧計６０は、測定した電圧値の情報をコントローラ８０に送る。なお、電圧計６０は、周知の電圧計を用いることができるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３０】
加速度センサ７０は、身体部位の動作の加速度を計測する。加速度センサ７０は、計測した加速度成分値をコントローラ８０に送る。加速度センサ７０は、３次元の軸方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向）の加速度を計測する３軸加速度センサを用いることができる。ただし、加速度センサ７０は、上記３軸加速度センサに限られず、たとえば、１軸加速度センサまたは２軸加速度センサを用いることもできる。なお、加速度センサ７０は、一般的な加速度センサを用いることができるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３１】
コントローラ（制御手段）８０は、動力装置１００全体の制御を行う手段であって、特に、電圧計６０からキャパシタの電圧値を、また、加速度センサ７０から身体部位の加速度値を取得し、これらに基づいて、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力する動作モード（第１モード）と、可動手段１０の可動によって生じた動力を回生する回生モード（第２モード）との切換えを制御する。なお、コントローラ８０は、たとえば、一般的なマイクロチップなどを用いて実現することができる。
【００３２】
ここで、本実施形態の動作モードおよび回生モードについて、図３および図４ａ〜４ｅを参照しつつ、詳細に説明する。図３は、各モードにおけるキャパシタ電圧値、バッテリ３０、キャパシタ４０、および負荷器５０の対応関係を表す図であり、図４ａ〜４ｅは、本実施形態の動力制御方法を説明するための各モードにおけるモデル回路を示す図である。なお、図４ａ〜４ｅは、本実施形態の動力制御方法を説明するために必要な回路要素を例示した図であり、当業者に自明な範囲で、他の回路要素を適宜追加することができる。
【００３３】
動作モードは、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力するモードであって、キャパシタ４０の電圧値が所定値未満の場合に、バッテリ３０からモータ２０にバッテリ電力を供給する第１動作モード、およびキャパシタ４０の電圧値が所定値以上の場合に、キャパシタ４０からモータ２０に回生電力を供給する第２動作モードを含む。なお、キャパシタ４０の電圧値の所定値とは、たとえば、キャパシタの容量の８０％以上電荷が蓄積された時の電圧値とすることができる。ただし、上記所定値は、たとえば、動力装置１００の用途等に応じて適宜自由に設定することができる。
【００３４】
第１動作モードでは、コントローラ８０は、図３および図４ａに示すように、バッテリ３０からモータ２０にバッテリ電力を供給するために、モータ２０とバッテリ３０とを接続するスイッチＳＷ１，ＳＷ２をＯＮとし、キャパシタ４０および負荷器５０にバッテリ電力が供給されないように、バッテリ３０とキャパシタ４０および負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ３，４をＯＦＦとするように切り換える。
【００３５】
第２動作モードでは、コントローラ８０は、図３および図４ｂに示すように、キャパシタ４０からモータ２０に蓄電された回生電力を供給するために、モータ２０とキャパシタ４０とを接続するスイッチＳＷ１，ＳＷ３をＯＮとし、バッテリ３０および負荷器５０にキャパシタ４０で蓄電された回生電力が供給されないように、キャパシタ４０とバッテリ３０および負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ２，４をＯＦＦとするように切り換える。
【００３６】
回生モードは、可動手段の可動によって生じた動力を回生するモードであって、キャパシタ４０のキャパシタ電圧値（容量）が所定値未満の場合に、動力の回生によって生じた回生電力をキャパシタ４０に供給する第１回生モード、およびキャパシタ４０のキャパシタ電圧値（容量）が所定値以上の場合に、動力の回生によって生じた回生電力を負荷器５０に供給する第２回生モードを含む。
【００３７】
第１回生モードでは、コントローラ８０は、図３および図４ｃに示すように、モータ２０の動力の回生によって生じた回生電力をキャパシタ４０に供給するために、モータ２０とキャパシタ４０とを接続するスイッチＳＷ１，ＳＷ３をＯＮとし、バッテリ３０および負荷器５０に回生電力が供給されないように、モータ２０とバッテリ３０および負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ２，４をＯＦＦとするように切り換える。
【００３８】
第２回生モードでは、コントローラ８０は、図３および図４ｄに示すように、キャパシタ電圧（キャパシタ容量）がＦＵＬＬの場合に、モータ２０の動力の回生によって生じた回生電力を負荷器５０に供給するために、モータ２０と負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＮとし、バッテリ３０およびキャパシタ４０に回生電力が供給されないように、モータ２０とバッテリ３０およびキャパシタ４０とを接続するスイッチＳＷ２，３をＯＦＦとするように切り換える。
【００３９】
なお、上記モード以外で、キャパシタ４０に一定以上の回生電力が蓄電されている場合であって、かつ、可動手段が非可動時の場合（すなわち、モータ２０が静止している場合）、コントローラ８０は、図４ｅに示すように、キャパシタ４０に蓄電された回生電力をバッテリ３０に供給するために、バッテリ３０とキャパシタ４０とを接続するスイッチＳＷ２，３をＯＮとし、キャパシタ４０とモータ２０および負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ１，４をＯＦＦとするように切り換えることもできる。キャパシタ４０に蓄電された回生電力をバッテリに供給することで、バッテリの稼働期間を延ばすことができる。なお、バッテリ３０とキャパシタ４０との間に電力変換回路（たとえば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）を適宜設けることによって、キャパシタ４０からバッテリ３０への電力供給を調整することもできる。
【００４０】
以下、図５ａ，図５ｂに示すフローチャートを参照して、動力装置１００を用いて実施される本実施形態の動力制御方法を説明する。以下では、動力制御方法の一例として、図６に示すように、動力装置１００を取り付ける身体部位を腰部とし（図２ａ参照）、立つ動作、および座る動作をした場合について説明する。なお、各図のフローチャートで示される各処理は、処理内容に矛盾を生じない範囲で任意に順番を変更して又は並列に実行することができる。
【００４１】
まず、コントローラ８０は、身体部位付近に配される加速度センサ７０から身体部位の加速度成分値を取得する（ステップＳ１００）。取得した加速度成分値に重力方向の成分を含んでいる場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、コントローラ８０は、ステップＳ１０２の処理を実行し、一方、取得した加速度成分値に重力方向の成分を含んでいない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、ステップＳ１０７の処理を実行する。ここで、上記の回生モードと動作モードの切り換えは、たとえば、ユーザが立つ動作、座る動作をそれぞれ行った場合の加速度成分値を予め計測しておき、実際に取得した加速度成分値が、予め計測した加速度成分値と所定の範囲内で一致する場合に切り換えるようにすることもできる。この場合、コントローラ８０は、重力方向の成分に限られずに、ユーザの動作に反応して切り換えることができる。
【００４２】
取得した加速度成分値からユーザが座る動作を行うと判定された場合、コントローラ８０は、回生モードに切り換えて、キャパシタ４０の電圧を測定する電圧計６０からキャパシタ電圧値を取得する（ステップＳ１０２）。
【００４３】
取得したキャパシタ電圧値が所定値未満の場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、コントローラ８０は、回生電力をキャパシタ４０に供給するように切り換えて制御する（ステップＳ１０４）。たとえば、動力の回生によって生じた回生電力をキャパシタ４０に供給するために、モータ２０とキャパシタ４０とを接続し、バッテリ３０および負荷器５０に回生電力が供給されないように、モータ２０とバッテリ３０および負荷器５０とを非接続にする。
【００４４】
取得したキャパシタ電圧値が所定値以上である場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、コントローラ８０は、回生電力を負荷器５０に供給するように切り換えて制御する（ステップＳ１０５）。たとえば、動力の回生によって生じた回生電力を負荷器５０に供給するために、モータ２０と負荷器５０とを接続し、バッテリ３０およびキャパシタ４０に回生電力が供給されないように、モータ２０とバッテリ３０およびキャパシタ４０とを非接続にする。
【００４５】
一方、取得した加速度成分値からユーザが立つ動作を行うと判定された場合、コントローラ８０は、動作モードに切り換えて、キャパシタ４０の電圧を測定する電圧計６０からキャパシタ電圧値を取得する（ステップＳ１０６）。
【００４６】
取得したキャパシタ電圧値が所定値以上である場合（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、コントローラ８０は、キャパシタ４０に蓄電された回生電力をモータ２０に供給するように切り換えて制御する（ステップＳ１０８）。たとえば、キャパシタ４０に蓄電された回生電力をモータ２０に供給するために、モータ２０とキャパシタ４０とを接続し、バッテリ３０および負荷器５０にキャパシタ４０で蓄電された回生電力が供給されないように、キャパシタ４０とバッテリ３０および負荷器５０とを非接続にする。
【００４７】
ここで、キャパシタ４０に蓄電された回生電力をモータ２０に供給してキャパシタ４０の容量が０になった後、さらにモータ２０の動力を出力させるための電力が必要な場合（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）、コントローラ８０は、バッテリ３０からのバッテリ電力をモータ２０に供給するように切り換える（ステップＳ１１０）。たとえば、バッテリ３０からモータ２０にバッテリ電力を供給するために、モータ２０とバッテリ３０とを接続し、キャパシタ４０および負荷器５０にバッテリ電力が供給されないように、バッテリ３０とキャパシタ４０および負荷器５０とを非接続にする。
【００４８】
取得したキャパシタ電圧値が所定値未満である場合（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、上記ステップＳ１１０の処理に移る。
＜変形例＞
以上のように本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は、以上の実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、および省略が当業者によって可能である。
【００４９】
たとえば、上記実施形態では、１つの動力装置１００で、動作モードおよび回生モードを行う場合を説明したが、本開示はこれに限られず、たとえば、回生モードで回生電力を発生させるための第１動力装置と、動作モードで可動手段に動力を出力するための第２動力装置とを分けた動力システムとすることもできる。
【００５０】
図７は、本実施形態に係る動力システム１の概略構成を示すブロック図である。動力システム１は、図７に示すように、第１動力装置１００Ａおよび第２動力装置１００Ｂを含む。第１動力装置１００Ａは、身体部位の動作方向に合わせて可動する第１可動手段１０Ａ、身体部位の動作時に第１可動手段１０Ａの可動で生じる動力を回生するモータ２０Ａ、該動力の回生によって生じた回生電力を第１動力装置に送電する送電手段９０Ａを有する。第２動力装置１００Ｂは、上記実施形態の動力装置１００と同様の構成に加えて、さらに、送電された回生電力を受電する受電手段９０Ｂを有する。なお、第２動力装置１００Ｂのキャパシタ４０は、第１動力装置１００Ａに備えられていてもよいし、第１動力装置１００Ａおよび第２動力装置１００Ｂの両方ともに備えられていてもよい。
【００５１】
本実施形態に係る動力システム１によれば、たとえば、図８に示すように、健常者が第１動力装置１００Ａを装着し、障害者が第２動力装置１００Ｂを装着することで、健常者の動作に応じて障害者の第２動力装置１００Ｂに電力を供給することができる。この他にも、たとえば、障害者が、足のみに障害を有する場合、健常な手に第１動力装置１００Ａを装着し、障害のある足に第２動力装置１００Ｂを装着するようことで、健常な手の動作に応じて障害のある足に装着された第２動力装置１００Ｂに電力を供給することができる。
【００５２】
また、上記実施形態では、バッテリ３０と１つのキャパシタ４０とを電源として使用する場合を説明したが、バッテリ３０と複数のキャパシタ４０とを電源として使用することもできる。たとえば、２つのキャパシタ４０を使用する場合、一方のキャパシタは回生電力を蓄積し、他方のキャパシタは蓄積された回生電力をバッテリ３０に供給するように交互に切り換える制御を実行することで、継続的に蓄電できる。
【００５３】
さらに、上記実施形態では、バッテリ３０とキャパシタ４０とを電源として併用する場合を説明したが、キャパシタのみを電源として使用することもできる。この場合、たとえば、複数のキャパシタを使用し、それぞれのキャパシタとモータとの接続を制御することによって、モータ２０の出力および回生の大きさに対応した動力装置を提供することができる。
【００５４】
さらに、上記実施形態では、モータが可動手段に対して動力を出力する第１モードと、モータの動力を回生する第２モードとの切換えを自動的に制御する制御手段を有する場合を説明したが、本開示の動力装置１００は、これに限られず、たとえば、ユーザによって手動で第１モードおよび第２モードを切り換えるスイッチなどの切換手段を設けることもできる。
【００５５】
さらに、上記実施形態では、キャパシタ４０に回生電力が所定値以上に蓄電されている場合、バッテリ３０からモータ２０へのバッテリ電力の供給を遮断して、キャパシタ４０からモータ２０に回生電力を供給する場合を例にとって説明したが、本開示の動力装置１００はこれに限られず、必要に応じて、キャパシタ４０からモータ２０に回生電力を供給する構成とすることもできる。たとえば、動力装置１００が瞬間的に高出力となる場合に、キャパシタ４０の蓄電された回生電力をモータ２０に供給するような構成とすることができる。
【００５６】
さらに、上記実施形態では、加速度センサ７０を用いて説明したが、本開示の動力装置１００はこれに限られず、たとえば、身体部位の筋電位を測定する筋電計（筋電位センサ）を用いることができる。この場合、コントローラ８０は、測定した筋電位が第１動作方向への動作に応じた電位である場合に第１モードに切換え、測定した筋電位が第２動作方向への動作に応じた電位である場合に第２モードに切換えて制御する。よって、ユーザの動作に合わせた制御が可能となり、ユーザにとって違和感なく動力装置１００を使用することができる。また、加速度センサや筋電計など動力装置１００またはユーザに取り付けるセンサ以外にも、たとえば、外部センサを用いることもできる。外部センサとしては、たとえば、ユーザの動作を撮像して解析する撮像手段がある。
【００５７】
さらに、上記実施形態では、回生モードにおけるモータの回生負荷については言及していないが、たとえば、対象となる身体部位の動作に応じてモータの回生負荷を制御することもできる。具体例として、ユーザがゆっくりと座る動作を行う場合、身体を支えるためにユーザの両太腿等の筋力を必要とするが、この筋力を必要としないようにモータの回生負荷を制御する。すなわち、回生負荷は、回生モード時に、ユーザの座る動作方向に対して逆方向への力として働くため、回生負荷が小さすぎると、身体を支える筋力を必要としてしまい、一方、回生負荷が大きすぎると、回生負荷に逆らって座らなければならないため、そのための筋力を逆に必要としてしまう。したがって、回生モード時に、筋力を必要としないような回生負荷に調整制御する。回生負荷の制御は、たとえば、対象となる身体部位の筋電位を測定する筋電計を用いて、筋電位が生じないように（筋力を必要としないように）モータの回生負荷を制御することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 動力装置、
１１ サポート部、
１２ リンク部、
２０ モータ、
３０ バッテリ、
４０ キャパシタ、
５０ 負荷器、
６０ 電圧計、
７０ 加速度センサ、
８０ コントローラ。
【技術分野】
【０００１】
本開示は、動力装置、動力システム、および動力制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、身体障害者、高齢者、および作業従事者等の動作を補助・代行する動作補助装具や、人間の筋力を増強するロボットスーツなどの動力装置が開発されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、従来の動力装置は、通常、装置自体の重量の観点から、軽量な小容量のバッテリを搭載している。搭載されるバッテリとしては、たとえば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池が挙げられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】"Robot Watch"、[online]、[平成21年11月24日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://robot.watch.impress.co.jp/cda/news/2008/11/07/1427.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の動力装置に搭載される小容量のバッテリは、稼働時間が短時間（たとえば、１〜３時間）であることから、通常、ユーザは予備のバッテリを持ち歩かなければならず、ユーザにとって大きな負担と手間を要してしまっていた。
【０００６】
また、従来の動力装置で用いられるバッテリは、内部抵抗が高くサイクル寿命が短いために、高頻度で一時的に電力を発生するエネルギー源を利用してバッテリを充電することは現実的に困難であった。
【０００７】
したがって、従来の小容量のバッテリを用いつつ、かつ、稼働時間を延ばすことができる動力装置、動力システム、および動力制御方法を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示による動力装置は、身体部位の動作に合わせて可動する可動手段と、前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記可動手段を前記第１動作方向へ可動させるように前記可動手段に対して動力を出力し、前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生するモータと、前記動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記蓄電した回生電力を前記モータに供給するキャパシタと、を有する。
【０００９】
また、本開示による動力装置は、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記モータにバッテリ電力を供給するバッテリをさらに有することができる。
【００１０】
さらに、本開示による動力装置は、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する第１モードと、前記可動手段の可動で生じる動力を回生する第２モードとの切換えを制御する制御手段をさらに有することができる。
【００１１】
さらに、本開示による動力装置は、前記制御手段が、前記第１モードにおいて、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されている場合、前記バッテリから前記モータへのバッテリ電力の供給を遮断して、前記キャパシタから前記モータに前記回生電力を供給し、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されていない場合、前記バッテリから前記モータに前記バッテリ電力を供給するようにさらに制御することができる。
【００１２】
さらに、本開示による動力装置は、前記制御手段が、前記第２モードにおいて、前記キャパシタの電圧値が最大値でない場合、前記回生電圧をキャパシタに供給し、前記キャパシタの電圧値が最大値である場合、前記回生電圧を負荷器に供給するように制御することができる。
【００１３】
さらに、本開示による動力装置は、前記制御手段が、可動手段が非可動時であって、前記キャパシタに前記回生電力が蓄電されている場合、前記キャパシタから前記バッテリに前記回生電力を供給することもできる。
【００１４】
さらに、本開示による動力装置は、前記身体部位の加速度を計測する加速度センサをさらに有し、前記制御手段が、前記計測した加速度が重力方向と反対方向の成分を含む場合に前記第１モードに切換え、前記計測した加速度が重力方向の成分を含む場合に前記第２モードに切換えて制御することができる。
【００１５】
さらに、本開示による動力装置は、前記身体部位の筋電位を測定する筋電計をさらに有し、前記制御手段は、前記第２モードにおいて、前記測定した筋電位に応じて前記モータの回生負荷を制御する。
【００１６】
さらに、本開示による動力装置は、前記身体部位の筋電位を測定する筋電計をさらに有し、前記制御手段が、前記測定した筋電位が前記第１動作方向への動作に応じた電位である場合に前記第１モードに切換え、前記測定した筋電位が前記第２動作方向への動作に応じた電位である場合に前記第２モードに切換えて制御することができる。
【００１７】
本開示による動力システムは、身体部位の動作方向に合わせて可動する第１可動手段、前記身体部位の動作時に前記第１可動手段の可動で生じる動力を回生するモータ、該動力の回生によって生じた回生電力を前記第１動力装置に送電する送電手段を有する第１動力装置と、身体部位の動作方向に合わせて可動する第２可動手段、前記送電された回生電力を受電する受電手段、および前記身体部位の動作時に前記回生電力が供給され、前記可動手段に対して動力を出力するモータを有する第２動力装置と、を有し、前記第１動力装置または前記第２動力装置は、前記回生電力を蓄電するキャパシタを含む。
【００１８】
本開示による動力制御方法は、上記に記載の動力装置を制御する動力制御方法であって、前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記モータが前記キャパシタから回生電力の供給を受けて前記可動手段に対して動力を出力することと、前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記モータが前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生し、前記動力の回生によって生じた回生電力を前記キャパシタに蓄電することと、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態の動力装置１００の概略構成を示すブロック図である。
【図２ａ】本実施形態の動力装置１００の概略的な外観図を示す。
【図２ｂ】本実施形態の動力装置１００の概略的な外観図を示す。
【図２ｃ】本実施形態の動力装置１００の概略的な外観図を示す。
【図３】本実施形態の動力装置１００の動作モードおよび回生モードそれぞれにおけるキャパシタ容量、バッテリ、キャパシタの関係を表す図である。
【図４ａ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図４ｂ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図４ｃ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図４ｄ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図４ｅ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法を概略的に説明するためのモデル回路の一例を示す図である。
【図５ａ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法におけるフローチャートの一例を示す。
【図５ｂ】本実施形態の動力装置１００の動力制御方法におけるフローチャートの一例を示す。
【図６】本実施形態の動力装置１００の使用例の１つを示す図である。
【図７】本実施形態の動力システム１の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本実施形態の動力システム１の概略的な外観図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本開示を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る動力装置１００の概略構成を示すブロック図である。また、図２は、本実施形態に係る動力装置１００の概略的な外観図を示す。
【００２２】
動力装置１００は、人間の身体部位に装着して人間の動作をサポートする装置であって、図１に示すように、可動手段１０、モータ２０、バッテリ３０、キャパシタ４０、負荷器５０、電圧計６０、加速度センサ７０、およびコントローラ８０を含む。なお、動力装置１００は、バッテリ３０、キャパシタ４０、負荷器５０、電圧計６０、加速度センサ７０、およびコントローラ８０を格納する格納部１１０（図２ａ〜図２ｃ参照）を有することができる。
【００２３】
可動手段１０は、屈曲動作を行う身体部位（たとえば、腰部、肘部、膝部など）の動作に合わせて可動する。可動手段１０は、屈曲動作を行う身体部位を挟んで身体に装着するためのサポート部１１、およびサポート部１１と一体的に構成され、屈曲動作を行う身体部位付近で回動する回動機構を備えたリンク部１２を有する。
【００２４】
可動手段１０は、たとえば、屈曲動作を行う身体部位として腰部の動作に合わせて可動する場合、図２ａに示すように、サポート部が腹部と両足の太腿部とにそれぞれ装着され、身体部位の座る動作、立つ動作に合わせてリンク部１２が回動する。また、可動手段１０は、腰部の動作に合わせて可動する場合に限られず、他にも、たとえば、図２ｂに示すように、膝部の動作に合わせて可動する場合や、図２ｃに示すように、肘部の動作に合わせて可動する場合がある。なお、可動手段１０自体の構成および材質は、原則として、従来の動作補助装具やロボットスーツなどの可動手段と同様とすることができるのでここでの詳細な説明は省略する。
【００２５】
モータ２０は、身体部位の第１動作方向への動作時に、可動手段１０を第１動作方向へ可動させるように可動手段１０の回動機構に対して動力を出力し、身体部位の第２動作方向への動作時に、可動手段１０の第２動作方向への可動で生じる動力を回生する。第１動作方向および第２動作方向については、たとえば、図２ａに示すように、可動手段１０が屈曲動作を行う身体部位として腰部の動作に合わせて可動する場合、第１動作方向を立つ動作の方向（リンク部が回動機構を中心として開く方向）とし、第２動作方向を座る動作の方向（リンク部が回動機構を中心として閉まる方向）とすることができる。特に、第２動作方向を、位置エネルギーを回収可能な方向に設定することで、効率的に動力を回生することができる。モータ２０は、図２ａ〜２ｃに示すように、たとえば、可動手段１０の回動機構を回動するための動力を供給可能に配される。なお、モータ２０自体は、一般的なモータ（たとえば、ＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータなど）を用いることができるので、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
バッテリ３０は、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力する際にモータ２０にバッテリ電力を供給する電源である。なお、バッテリ３０は、たとえば、リチウムイオン電池およびニッケル水素電池などの二次電池であってよい。
【００２７】
キャパシタ４０は、モータ２０の動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力する際に蓄電した回生電力をモータ２０に供給する電源である。キャパシタ４０は、内部抵抗が低く、高頻度で一時的に電力を蓄電可能なキャパシタ、たとえば、電気２重層キャパシタ（ウルトラキャパシタ）を用いる。なお、キャパシタ４０は、上記ウルトラキャパシタを用いる場合に限られず、モータの動作の回生によって生じた回生電力を蓄電可能なキャパシタを用いることができる。
【００２８】
負荷器５０は、モータ２０の動力の回生によって生じた回生電力を消費するものであって、たとえば、抵抗器である。負荷器５０は、上記回生電力のキャパシタ４０への蓄電がＦＵＬＬになったときに、回生電力が供給される。
【００２９】
電圧計６０は、キャパシタ４０の電圧値を測定する。電圧計６０は、測定した電圧値の情報をコントローラ８０に送る。なお、電圧計６０は、周知の電圧計を用いることができるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３０】
加速度センサ７０は、身体部位の動作の加速度を計測する。加速度センサ７０は、計測した加速度成分値をコントローラ８０に送る。加速度センサ７０は、３次元の軸方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向）の加速度を計測する３軸加速度センサを用いることができる。ただし、加速度センサ７０は、上記３軸加速度センサに限られず、たとえば、１軸加速度センサまたは２軸加速度センサを用いることもできる。なお、加速度センサ７０は、一般的な加速度センサを用いることができるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３１】
コントローラ（制御手段）８０は、動力装置１００全体の制御を行う手段であって、特に、電圧計６０からキャパシタの電圧値を、また、加速度センサ７０から身体部位の加速度値を取得し、これらに基づいて、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力する動作モード（第１モード）と、可動手段１０の可動によって生じた動力を回生する回生モード（第２モード）との切換えを制御する。なお、コントローラ８０は、たとえば、一般的なマイクロチップなどを用いて実現することができる。
【００３２】
ここで、本実施形態の動作モードおよび回生モードについて、図３および図４ａ〜４ｅを参照しつつ、詳細に説明する。図３は、各モードにおけるキャパシタ電圧値、バッテリ３０、キャパシタ４０、および負荷器５０の対応関係を表す図であり、図４ａ〜４ｅは、本実施形態の動力制御方法を説明するための各モードにおけるモデル回路を示す図である。なお、図４ａ〜４ｅは、本実施形態の動力制御方法を説明するために必要な回路要素を例示した図であり、当業者に自明な範囲で、他の回路要素を適宜追加することができる。
【００３３】
動作モードは、モータ２０が可動手段１０に対して動力を出力するモードであって、キャパシタ４０の電圧値が所定値未満の場合に、バッテリ３０からモータ２０にバッテリ電力を供給する第１動作モード、およびキャパシタ４０の電圧値が所定値以上の場合に、キャパシタ４０からモータ２０に回生電力を供給する第２動作モードを含む。なお、キャパシタ４０の電圧値の所定値とは、たとえば、キャパシタの容量の８０％以上電荷が蓄積された時の電圧値とすることができる。ただし、上記所定値は、たとえば、動力装置１００の用途等に応じて適宜自由に設定することができる。
【００３４】
第１動作モードでは、コントローラ８０は、図３および図４ａに示すように、バッテリ３０からモータ２０にバッテリ電力を供給するために、モータ２０とバッテリ３０とを接続するスイッチＳＷ１，ＳＷ２をＯＮとし、キャパシタ４０および負荷器５０にバッテリ電力が供給されないように、バッテリ３０とキャパシタ４０および負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ３，４をＯＦＦとするように切り換える。
【００３５】
第２動作モードでは、コントローラ８０は、図３および図４ｂに示すように、キャパシタ４０からモータ２０に蓄電された回生電力を供給するために、モータ２０とキャパシタ４０とを接続するスイッチＳＷ１，ＳＷ３をＯＮとし、バッテリ３０および負荷器５０にキャパシタ４０で蓄電された回生電力が供給されないように、キャパシタ４０とバッテリ３０および負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ２，４をＯＦＦとするように切り換える。
【００３６】
回生モードは、可動手段の可動によって生じた動力を回生するモードであって、キャパシタ４０のキャパシタ電圧値（容量）が所定値未満の場合に、動力の回生によって生じた回生電力をキャパシタ４０に供給する第１回生モード、およびキャパシタ４０のキャパシタ電圧値（容量）が所定値以上の場合に、動力の回生によって生じた回生電力を負荷器５０に供給する第２回生モードを含む。
【００３７】
第１回生モードでは、コントローラ８０は、図３および図４ｃに示すように、モータ２０の動力の回生によって生じた回生電力をキャパシタ４０に供給するために、モータ２０とキャパシタ４０とを接続するスイッチＳＷ１，ＳＷ３をＯＮとし、バッテリ３０および負荷器５０に回生電力が供給されないように、モータ２０とバッテリ３０および負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ２，４をＯＦＦとするように切り換える。
【００３８】
第２回生モードでは、コントローラ８０は、図３および図４ｄに示すように、キャパシタ電圧（キャパシタ容量）がＦＵＬＬの場合に、モータ２０の動力の回生によって生じた回生電力を負荷器５０に供給するために、モータ２０と負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＮとし、バッテリ３０およびキャパシタ４０に回生電力が供給されないように、モータ２０とバッテリ３０およびキャパシタ４０とを接続するスイッチＳＷ２，３をＯＦＦとするように切り換える。
【００３９】
なお、上記モード以外で、キャパシタ４０に一定以上の回生電力が蓄電されている場合であって、かつ、可動手段が非可動時の場合（すなわち、モータ２０が静止している場合）、コントローラ８０は、図４ｅに示すように、キャパシタ４０に蓄電された回生電力をバッテリ３０に供給するために、バッテリ３０とキャパシタ４０とを接続するスイッチＳＷ２，３をＯＮとし、キャパシタ４０とモータ２０および負荷器５０とを接続するスイッチＳＷ１，４をＯＦＦとするように切り換えることもできる。キャパシタ４０に蓄電された回生電力をバッテリに供給することで、バッテリの稼働期間を延ばすことができる。なお、バッテリ３０とキャパシタ４０との間に電力変換回路（たとえば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）を適宜設けることによって、キャパシタ４０からバッテリ３０への電力供給を調整することもできる。
【００４０】
以下、図５ａ，図５ｂに示すフローチャートを参照して、動力装置１００を用いて実施される本実施形態の動力制御方法を説明する。以下では、動力制御方法の一例として、図６に示すように、動力装置１００を取り付ける身体部位を腰部とし（図２ａ参照）、立つ動作、および座る動作をした場合について説明する。なお、各図のフローチャートで示される各処理は、処理内容に矛盾を生じない範囲で任意に順番を変更して又は並列に実行することができる。
【００４１】
まず、コントローラ８０は、身体部位付近に配される加速度センサ７０から身体部位の加速度成分値を取得する（ステップＳ１００）。取得した加速度成分値に重力方向の成分を含んでいる場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、コントローラ８０は、ステップＳ１０２の処理を実行し、一方、取得した加速度成分値に重力方向の成分を含んでいない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、ステップＳ１０７の処理を実行する。ここで、上記の回生モードと動作モードの切り換えは、たとえば、ユーザが立つ動作、座る動作をそれぞれ行った場合の加速度成分値を予め計測しておき、実際に取得した加速度成分値が、予め計測した加速度成分値と所定の範囲内で一致する場合に切り換えるようにすることもできる。この場合、コントローラ８０は、重力方向の成分に限られずに、ユーザの動作に反応して切り換えることができる。
【００４２】
取得した加速度成分値からユーザが座る動作を行うと判定された場合、コントローラ８０は、回生モードに切り換えて、キャパシタ４０の電圧を測定する電圧計６０からキャパシタ電圧値を取得する（ステップＳ１０２）。
【００４３】
取得したキャパシタ電圧値が所定値未満の場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、コントローラ８０は、回生電力をキャパシタ４０に供給するように切り換えて制御する（ステップＳ１０４）。たとえば、動力の回生によって生じた回生電力をキャパシタ４０に供給するために、モータ２０とキャパシタ４０とを接続し、バッテリ３０および負荷器５０に回生電力が供給されないように、モータ２０とバッテリ３０および負荷器５０とを非接続にする。
【００４４】
取得したキャパシタ電圧値が所定値以上である場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、コントローラ８０は、回生電力を負荷器５０に供給するように切り換えて制御する（ステップＳ１０５）。たとえば、動力の回生によって生じた回生電力を負荷器５０に供給するために、モータ２０と負荷器５０とを接続し、バッテリ３０およびキャパシタ４０に回生電力が供給されないように、モータ２０とバッテリ３０およびキャパシタ４０とを非接続にする。
【００４５】
一方、取得した加速度成分値からユーザが立つ動作を行うと判定された場合、コントローラ８０は、動作モードに切り換えて、キャパシタ４０の電圧を測定する電圧計６０からキャパシタ電圧値を取得する（ステップＳ１０６）。
【００４６】
取得したキャパシタ電圧値が所定値以上である場合（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、コントローラ８０は、キャパシタ４０に蓄電された回生電力をモータ２０に供給するように切り換えて制御する（ステップＳ１０８）。たとえば、キャパシタ４０に蓄電された回生電力をモータ２０に供給するために、モータ２０とキャパシタ４０とを接続し、バッテリ３０および負荷器５０にキャパシタ４０で蓄電された回生電力が供給されないように、キャパシタ４０とバッテリ３０および負荷器５０とを非接続にする。
【００４７】
ここで、キャパシタ４０に蓄電された回生電力をモータ２０に供給してキャパシタ４０の容量が０になった後、さらにモータ２０の動力を出力させるための電力が必要な場合（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）、コントローラ８０は、バッテリ３０からのバッテリ電力をモータ２０に供給するように切り換える（ステップＳ１１０）。たとえば、バッテリ３０からモータ２０にバッテリ電力を供給するために、モータ２０とバッテリ３０とを接続し、キャパシタ４０および負荷器５０にバッテリ電力が供給されないように、バッテリ３０とキャパシタ４０および負荷器５０とを非接続にする。
【００４８】
取得したキャパシタ電圧値が所定値未満である場合（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、上記ステップＳ１１０の処理に移る。
＜変形例＞
以上のように本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は、以上の実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、および省略が当業者によって可能である。
【００４９】
たとえば、上記実施形態では、１つの動力装置１００で、動作モードおよび回生モードを行う場合を説明したが、本開示はこれに限られず、たとえば、回生モードで回生電力を発生させるための第１動力装置と、動作モードで可動手段に動力を出力するための第２動力装置とを分けた動力システムとすることもできる。
【００５０】
図７は、本実施形態に係る動力システム１の概略構成を示すブロック図である。動力システム１は、図７に示すように、第１動力装置１００Ａおよび第２動力装置１００Ｂを含む。第１動力装置１００Ａは、身体部位の動作方向に合わせて可動する第１可動手段１０Ａ、身体部位の動作時に第１可動手段１０Ａの可動で生じる動力を回生するモータ２０Ａ、該動力の回生によって生じた回生電力を第１動力装置に送電する送電手段９０Ａを有する。第２動力装置１００Ｂは、上記実施形態の動力装置１００と同様の構成に加えて、さらに、送電された回生電力を受電する受電手段９０Ｂを有する。なお、第２動力装置１００Ｂのキャパシタ４０は、第１動力装置１００Ａに備えられていてもよいし、第１動力装置１００Ａおよび第２動力装置１００Ｂの両方ともに備えられていてもよい。
【００５１】
本実施形態に係る動力システム１によれば、たとえば、図８に示すように、健常者が第１動力装置１００Ａを装着し、障害者が第２動力装置１００Ｂを装着することで、健常者の動作に応じて障害者の第２動力装置１００Ｂに電力を供給することができる。この他にも、たとえば、障害者が、足のみに障害を有する場合、健常な手に第１動力装置１００Ａを装着し、障害のある足に第２動力装置１００Ｂを装着するようことで、健常な手の動作に応じて障害のある足に装着された第２動力装置１００Ｂに電力を供給することができる。
【００５２】
また、上記実施形態では、バッテリ３０と１つのキャパシタ４０とを電源として使用する場合を説明したが、バッテリ３０と複数のキャパシタ４０とを電源として使用することもできる。たとえば、２つのキャパシタ４０を使用する場合、一方のキャパシタは回生電力を蓄積し、他方のキャパシタは蓄積された回生電力をバッテリ３０に供給するように交互に切り換える制御を実行することで、継続的に蓄電できる。
【００５３】
さらに、上記実施形態では、バッテリ３０とキャパシタ４０とを電源として併用する場合を説明したが、キャパシタのみを電源として使用することもできる。この場合、たとえば、複数のキャパシタを使用し、それぞれのキャパシタとモータとの接続を制御することによって、モータ２０の出力および回生の大きさに対応した動力装置を提供することができる。
【００５４】
さらに、上記実施形態では、モータが可動手段に対して動力を出力する第１モードと、モータの動力を回生する第２モードとの切換えを自動的に制御する制御手段を有する場合を説明したが、本開示の動力装置１００は、これに限られず、たとえば、ユーザによって手動で第１モードおよび第２モードを切り換えるスイッチなどの切換手段を設けることもできる。
【００５５】
さらに、上記実施形態では、キャパシタ４０に回生電力が所定値以上に蓄電されている場合、バッテリ３０からモータ２０へのバッテリ電力の供給を遮断して、キャパシタ４０からモータ２０に回生電力を供給する場合を例にとって説明したが、本開示の動力装置１００はこれに限られず、必要に応じて、キャパシタ４０からモータ２０に回生電力を供給する構成とすることもできる。たとえば、動力装置１００が瞬間的に高出力となる場合に、キャパシタ４０の蓄電された回生電力をモータ２０に供給するような構成とすることができる。
【００５６】
さらに、上記実施形態では、加速度センサ７０を用いて説明したが、本開示の動力装置１００はこれに限られず、たとえば、身体部位の筋電位を測定する筋電計（筋電位センサ）を用いることができる。この場合、コントローラ８０は、測定した筋電位が第１動作方向への動作に応じた電位である場合に第１モードに切換え、測定した筋電位が第２動作方向への動作に応じた電位である場合に第２モードに切換えて制御する。よって、ユーザの動作に合わせた制御が可能となり、ユーザにとって違和感なく動力装置１００を使用することができる。また、加速度センサや筋電計など動力装置１００またはユーザに取り付けるセンサ以外にも、たとえば、外部センサを用いることもできる。外部センサとしては、たとえば、ユーザの動作を撮像して解析する撮像手段がある。
【００５７】
さらに、上記実施形態では、回生モードにおけるモータの回生負荷については言及していないが、たとえば、対象となる身体部位の動作に応じてモータの回生負荷を制御することもできる。具体例として、ユーザがゆっくりと座る動作を行う場合、身体を支えるためにユーザの両太腿等の筋力を必要とするが、この筋力を必要としないようにモータの回生負荷を制御する。すなわち、回生負荷は、回生モード時に、ユーザの座る動作方向に対して逆方向への力として働くため、回生負荷が小さすぎると、身体を支える筋力を必要としてしまい、一方、回生負荷が大きすぎると、回生負荷に逆らって座らなければならないため、そのための筋力を逆に必要としてしまう。したがって、回生モード時に、筋力を必要としないような回生負荷に調整制御する。回生負荷の制御は、たとえば、対象となる身体部位の筋電位を測定する筋電計を用いて、筋電位が生じないように（筋力を必要としないように）モータの回生負荷を制御することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 動力装置、
１１ サポート部、
１２ リンク部、
２０ モータ、
３０ バッテリ、
４０ キャパシタ、
５０ 負荷器、
６０ 電圧計、
７０ 加速度センサ、
８０ コントローラ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
身体部位の動作に合わせて可動する可動手段と、
前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記可動手段を前記第１動作方向へ可動させるように前記可動手段に対して動力を出力し、前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生するモータと、
前記動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記蓄電した回生電力を前記モータに供給するキャパシタと、
前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記モータにバッテリ電力を供給するバッテリと、
前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する第１モードと、前記モータの動力を回生する第２モードとの切換えを制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記第１モードにおいて、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されている場合、前記バッテリから前記モータへのバッテリ電力の供給を遮断して、前記キャパシタから前記モータに前記回生電力を供給し、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されていない場合、前記バッテリから前記モータに前記バッテリ電力を供給するようにさらに制御する動力装置。
【請求項２】
身体部位の動作に合わせて可動する可動手段と、
前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記可動手段を前記第１動作方向へ可動させるように前記可動手段に対して動力を出力し、前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生するモータと、
前記動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記蓄電した回生電力を前記モータに供給するキャパシタと、
を有する動力装置。
【請求項３】
前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記モータにバッテリ電力を供給するバッテリをさらに有する、請求項２に記載の動力装置。
【請求項４】
前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する第１モードと、前記可動手段の可動で生じる動力を回生する第２モードとの切換えを制御する制御手段をさらに有する、請求項３に記載の動力装置。
【請求項５】
前記制御手段は、
前記第１モードにおいて、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されている場合、前記キャパシタから前記モータに前記回生電力を供給し、
前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されていない場合、前記バッテリから前記モータに前記バッテリ電力を供給するようにさらに制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項６】
前記制御手段は、
前記第２モードにおいて、前記キャパシタの電圧値が最大値でない場合、前記回生電圧をキャパシタに供給し、
前記キャパシタの電圧値が最大値である場合、前記回生電圧を負荷器に供給するように制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項７】
前記制御手段は、可動手段が非可動時であって、前記キャパシタに前記回生電力が蓄電されている場合、前記キャパシタから前記バッテリに前記回生電力を供給する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項８】
前記身体部位の動作の加速度を計測する加速度センサをさらに有し、
前記制御手段は、前記計測した加速度が重力方向と反対方向の成分を含む場合に前記第１モードに切換え、前記計測した加速度が重力方向の成分を含む場合に前記第２モードに切換えて制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項９】
前記身体部位の筋電位を測定する筋電計をさらに有し、
前記制御手段は、前記第２モードにおいて、前記測定した筋電位に応じて前記モータの回生負荷を制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項１０】
前記身体部位の筋電位を測定する筋電計をさらに有し、
前記制御手段は、前記測定した筋電位が前記第１動作方向への動作に応じた電位である場合に前記第１モードに切換え、前記測定した筋電位が前記第２動作方向への動作に応じた電位である場合に前記第２モードに切換えて制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項１１】
身体部位の動作方向に合わせて可動する第１可動手段、前記身体部位の動作時に前記第１可動手段の可動で生じる動力を回生するモータ、該動力の回生によって生じた回生電力を前記第１動力装置に送電する送電手段を有する第１動力装置と、
身体部位の動作方向に合わせて可動する第２可動手段、前記送電された回生電力を受電する受電手段、および前記身体部位の動作時に前記回生電力が供給され、前記可動手段に対して動力を出力するモータを有する第２動力装置と、を有し、
前記第１動力装置または前記第２動力装置は、前記回生電力を蓄電するキャパシタを含む動力システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の動力装置を制御する動力制御方法であって、
前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記モータが前記キャパシタから回生電力の供給を受けて前記可動手段に対して動力を出力することと、
前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記モータが前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生し、前記動力の回生によって生じた回生電力を前記キャパシタに蓄電することと、
を有する動力制御方法。
【請求項１】
身体部位の動作に合わせて可動する可動手段と、
前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記可動手段を前記第１動作方向へ可動させるように前記可動手段に対して動力を出力し、前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生するモータと、
前記動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記蓄電した回生電力を前記モータに供給するキャパシタと、
前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記モータにバッテリ電力を供給するバッテリと、
前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する第１モードと、前記モータの動力を回生する第２モードとの切換えを制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記第１モードにおいて、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されている場合、前記バッテリから前記モータへのバッテリ電力の供給を遮断して、前記キャパシタから前記モータに前記回生電力を供給し、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されていない場合、前記バッテリから前記モータに前記バッテリ電力を供給するようにさらに制御する動力装置。
【請求項２】
身体部位の動作に合わせて可動する可動手段と、
前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記可動手段を前記第１動作方向へ可動させるように前記可動手段に対して動力を出力し、前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生するモータと、
前記動力の回生によって生じた回生電力を蓄電し、前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記蓄電した回生電力を前記モータに供給するキャパシタと、
を有する動力装置。
【請求項３】
前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する際に前記モータにバッテリ電力を供給するバッテリをさらに有する、請求項２に記載の動力装置。
【請求項４】
前記モータが前記可動手段に対して動力を出力する第１モードと、前記可動手段の可動で生じる動力を回生する第２モードとの切換えを制御する制御手段をさらに有する、請求項３に記載の動力装置。
【請求項５】
前記制御手段は、
前記第１モードにおいて、前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されている場合、前記キャパシタから前記モータに前記回生電力を供給し、
前記キャパシタに前記回生電力が所定値以上に蓄電されていない場合、前記バッテリから前記モータに前記バッテリ電力を供給するようにさらに制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項６】
前記制御手段は、
前記第２モードにおいて、前記キャパシタの電圧値が最大値でない場合、前記回生電圧をキャパシタに供給し、
前記キャパシタの電圧値が最大値である場合、前記回生電圧を負荷器に供給するように制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項７】
前記制御手段は、可動手段が非可動時であって、前記キャパシタに前記回生電力が蓄電されている場合、前記キャパシタから前記バッテリに前記回生電力を供給する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項８】
前記身体部位の動作の加速度を計測する加速度センサをさらに有し、
前記制御手段は、前記計測した加速度が重力方向と反対方向の成分を含む場合に前記第１モードに切換え、前記計測した加速度が重力方向の成分を含む場合に前記第２モードに切換えて制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項９】
前記身体部位の筋電位を測定する筋電計をさらに有し、
前記制御手段は、前記第２モードにおいて、前記測定した筋電位に応じて前記モータの回生負荷を制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項１０】
前記身体部位の筋電位を測定する筋電計をさらに有し、
前記制御手段は、前記測定した筋電位が前記第１動作方向への動作に応じた電位である場合に前記第１モードに切換え、前記測定した筋電位が前記第２動作方向への動作に応じた電位である場合に前記第２モードに切換えて制御する、請求項４に記載の動力装置。
【請求項１１】
身体部位の動作方向に合わせて可動する第１可動手段、前記身体部位の動作時に前記第１可動手段の可動で生じる動力を回生するモータ、該動力の回生によって生じた回生電力を前記第１動力装置に送電する送電手段を有する第１動力装置と、
身体部位の動作方向に合わせて可動する第２可動手段、前記送電された回生電力を受電する受電手段、および前記身体部位の動作時に前記回生電力が供給され、前記可動手段に対して動力を出力するモータを有する第２動力装置と、を有し、
前記第１動力装置または前記第２動力装置は、前記回生電力を蓄電するキャパシタを含む動力システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の動力装置を制御する動力制御方法であって、
前記身体部位の第１動作方向への動作時に、前記モータが前記キャパシタから回生電力の供給を受けて前記可動手段に対して動力を出力することと、
前記身体部位の第２動作方向への動作時に、前記モータが前記可動手段の前記第２動作方向への可動で生じる動力を回生し、前記動力の回生によって生じた回生電力を前記キャパシタに蓄電することと、
を有する動力制御方法。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図４ｄ】
【図４ｅ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図４ｄ】
【図４ｅ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１２０８３２（Ｐ２０１１−１２０８３２Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８３０４３（Ｐ２００９−２８３０４３）
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【特許番号】特許第４５８９４４７号（Ｐ４５８９４４７）
【特許公報発行日】平成２２年１２月１日（２０１０．１２．１）
【出願人】（５０９３４８７８６）エンパイア テクノロジー ディベロップメント エルエルシー (117)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【特許番号】特許第４５８９４４７号（Ｐ４５８９４４７）
【特許公報発行日】平成２２年１２月１日（２０１０．１２．１）
【出願人】（５０９３４８７８６）エンパイア テクノロジー ディベロップメント エルエルシー (117)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]