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特許7525519エクソスケルトンに適用可能な、特に重力荷重のための荷重補償装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-22

(45)【発行日】2024-07-30

(54)【発明の名称】エクソスケルトンに適用可能な、特に重力荷重のための荷重補償装置

(51)【国際特許分類】

B25J 11/00 20060101AFI20240723BHJP

B25J 19/00 20060101ALI20240723BHJP

A61H 1/02 20060101ALI20240723BHJP

【ＦＩ】

B25J11/00 Z

B25J19/00 D

A61H1/02 A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021571767

(86)(22)【出願日】2020-05-29

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-08-04

(86)【国際出願番号】 EP2020064944

(87)【国際公開番号】W WO2020245038

(87)【国際公開日】2020-12-10

【審査請求日】2023-04-18

(31)【優先権主張番号】102019000007848

(32)【優先日】2019-06-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】523298753

【氏名又は名称】アガデソチエタアレスポンサビリタリミタータ

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】弁理士法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アクイランテ、ロレンツォ

(72)【発明者】

【氏名】タバリオ、マッティア

(72)【発明者】

【氏名】ラミレス、ダニエレ

(72)【発明者】

【氏名】ブラギン、フランチェスコ

(72)【発明者】

【氏名】ペドロッキ、アレッサンドラローラジュリア

(72)【発明者】

【氏名】ガンドッラ、マルタ

(72)【発明者】

【氏名】ダッラガスペリーナ、ステファノ

【審査官】牧初

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００６／０２４１５３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１４０４７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ１／００－２１／０２

Ａ６１Ｈ１／００－３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷重補償装置（２０１、３０１、５０１、６０１、７０１、９０１）であって、
支持構造（１０２、１０４；３０３；７０２、７０４）に拘束されるように構成された補助関節（３；３０２）と、
前記補助関節（３；３０２）に接続された近位端部（３０５）を備える主ロッド（３０４）であって、印加される荷重（１１）によって応力が加えられるように構成された遠位端部（３０６）をさらに備える主ロッド（３０４）と、
第１の端部（３０８）と第２の端部（３０９）とを備える補助ロッド（３０７）であって、前記第１の端部（３０８）は、前記主ロッド（３０４）に対して前記補助ロッド（３０７）を回転させるために、前記主ロッド（３０４）上にヒンジ接続され、前記第２の端部（３０９）は、前記印加される荷重（１１）が位置する平面上で動くことができる、補助ロッド（３０７）と、
前記補助ロッド（３０７）の前記第２の端部（３０９）と、前記主ロッド（３０４）の前記遠位端部（３０６）と、の間で作用する弾性力を提供するように構成された弾性要素（３１０、９１０）と、
前記弾性要素（３１０、９１０）に予め印加される荷重を変えるために、前記補助ロッド（３０７）の前記第２の端部（３０９）と、前記補助関節（３；３０２）と、の間の距離を変更するように構成された調整システム（３１３；６１３）と、
を備え、
前記弾性要素（３１０、９１０）は、前記印加される荷重（１１）を前記主ロッド（３０４）を横断する方向の成分について補償するために、前記荷重補償装置（２０１、３０１、５０１、６０１、７０１、９０１）の運動の構成に基づいて前記弾性力を提供するように構成され、
前記調整システム（３１３；６１３）は、前記支持構造（３０３）に関連付けられた可動の調整要素（３１４；６１４）を備える、荷重補償装置（２０１、３０１、５０１、６０１、７０１、９０１）。

【請求項2】

前記調整システム（３１３）は、前記可動の調整要素（３１４）を前記補助ロッド（３０７）の前記第２の端部（３０９）に接続する調整ロッド（３２０）をさらに備え、
前記可動の調整要素（３１４）は、前記調整ロッド（３２０）がヒンジ接続されたリニアアクチュエータ（３２１）を備えている、
請求項１記載の荷重補償装置。

【請求項3】

前記リニアアクチュエータ（３２１）は、前記支持構造（３０３）に拘束された傾斜要素（３２２；５２２）に沿って動くことができ、前記傾斜要素（３２２；５２２）は、前記荷重補償装置（２０１、３０１、５０１、６０１、７０１、９０１）の所望の運動の特徴に基づいて決定された傾斜を有する、請求項２記載の荷重補償装置。

【請求項4】

前記調整システム（６１３）は、前記可動の調整要素（６１４）を前記補助ロッド（３０７）の前記第２の端部（３０９）に接続するケーブル（６２０）をさらに備え、
前記可動の調整要素（６１４）は、前記ケーブル（６２０）を巻き取り、または前記ケーブル（６２０）が繰り出されるように構成された、モータ駆動のプーリー（６２１）を備えている、
請求項１記載の荷重補償装置。

【請求項5】

前記モータ駆動のプーリー（６２１）は、前記補助関節（３０２）に対して固定された位置にあり、
前記モータ駆動のプーリー（６２１）と前記補助関節（３０２）との間の第２の距離が、前記荷重補償装置（２０１、３０１、５０１、６０１、７０１、９０１）の所望の運動の特徴に基づいて決定される、
請求項４記載の荷重補償装置。

【請求項6】

前記調整システム（３１３；６１３）は、さらに前記主ロッド（３０４）と前記補助ロッド（３０７）との間の相対的な角度を変えるように構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の荷重補償装置。

【請求項7】

前記調整システム（３１３；６１３）は、前記印加される荷重（１１）の前記横断する方向の成分と、前記弾性力によって提供される前記横断する方向の成分とは逆向きの成分、の間の差を最小にするようにさらに構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の荷重補償装置。

【請求項8】

前記荷重補償装置は、前記主ロッド（３０４）の絶対位置を測定し、さらに、前記印加される荷重（１１）の結果として前記補助関節（３；３０２）に応力を加えるトルクを測定する複数のセンサをさらに備え、
前記荷重補償装置は、前記複数のセンサと前記調整システム（３１３；６１３）とに動作可能に接続された少なくとも１つのプロセッサであって、前記補助関節（３；３０２）に応力を加える前記トルクを相殺するために、前記予め印加される荷重を計算するように構成された少なくとも１つのプロセッサをさらに備える、
請求項１～７のいずれか１項に記載の荷重補償装置。

【請求項9】

前記プロセッサは、さらに、所望の動きを支持するために、前記複数のセンサによって測定された動的軌道に応じて前記弾性力を調整するように構成されている、請求項８記載の荷重補償装置。

【請求項10】

前記弾性要素（３１０、９１０）は、前記補助ロッド（３０７）の前記第２の端部（３０９）に、少なくとも間接的に接続される、請求項１～９のいずれか１項に記載の荷重補償装置。

【請求項11】

前記荷重補償装置は、補償ケーブル（３１１）を備え、
前記補償ケーブル（３１１）は、前記補助ロッド（３０７）の前記第２の端部（３０９）を前記弾性要素（３１０）に接続し、
前記弾性要素（３１０）は、軸方向に展開し、前記主ロッド（３０４）と略平行であり、
前記荷重補償装置（３０１、５０１、６０１、７０１、９０１）は、前記主ロッド（３０４）の前記遠位端部（３０６）の近傍にプーリー（３１２）をさらに備え、
前記補償ケーブル（３１１）は前記プーリー（３１２）と係合する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の荷重補償装置。

【請求項12】

前記補助ロッド（３０７）は、前記印加される荷重（１１）の一般的な方向とは逆向きの方向に、前記主ロッド（３０４）から突出する、請求項１～１１のいずれか１項に記載の荷重補償装置。

【請求項13】

前記補助ロッド（３０７）の前記第１の端部（３０８）は、前記主ロッド（３０４）の前記近位端部（３０５）と前記遠位端部（３０６）との間の中間の位置において、前記主ロッド（３０４）上にヒンジ接続されている、請求項１２記載の荷重補償装置。

【請求項14】

前記主ロッド（３０４）の前記遠位端部（３０６）は、変化し得る荷重を受ける可動の構造的要素（１３０；７０３）の留め具に対応する、請求項１～１３のいずれか１項に記載の荷重補償装置。

【請求項15】

エクソスケルトン（１００；７００）であって、請求項１～１４のいずれか１項に記載の少なくとも１つの荷重補償装置（２０１、３０１、５０１、６０１、７０１、９０１）を備えるエクソスケルトン（１００；７００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷重補償装置、特に重力荷重を補償するための荷重補償装置に関する。好適で非限定的な適用では、本発明は、関連するエクソスケルトンにも関する。

【0002】

概して、本発明は、ハンドリング装置の分野、ならびに身体活動およびリハビリ用運動装置の分野において、限定されることなく適用される。

【背景技術】

【0003】

最近では、エクソスケルトンは、ほとんどの場合には生物医学分野および産業分野に関連する様々な適用がなされてきた。

【0004】

生物医学分野では、エクソスケルトンは、個々の身体的および運動能力を高め、さらには重力の効果を補償し、したがって身体的労力および個々の努力を減らすように設計されている。特に、生物医学分野では、エクソスケルトンは、運動機能の回復や補助の分野で使用されている。上記した回復は、患者のリハビリテーションに関連し、一方では、上記した「補助」は、使用者の運動能力が不可逆的に損なわれているときの単純な介助を行う場合に関連している。

【0005】

産業分野では、エクソスケルトンは、操作者が苦痛となる姿勢を維持するかまたは重量物を動かしたり持ち上げたりしなければならない製造産業および建築産業において主に使用され、さらに、エクソスケルトンは、医療従事者のための補助器具としても使用されている。一般に、この産業分野においては、エクソスケルトンは、１つまたは複数の身体部分の労力を緩和するように設計されている。

【0006】

エクソスケルトンでは、「受動式」または「能動式」として分類され得るさまざまな技術を介して、荷重補償が行われる。「受動式」の補償技術は、運動時には荷重を受けかつ逆方向の運動時には変形エネルギを放出する１つまたは複数の弾性要素のセットを使用し、「能動式」の補償技術は、代わりに、モータ駆動の駆動装置、典型的には電気式のものを使用する。他のタイプの駆動装置としては、圧電アクチュエータ、形状記憶合金（「Shape-Memory Alloys」、ＳＭＡ）、空気圧駆動装置、または電気活性高分子が設けられ得る。

【0007】

受動式の補償技術は、外部電源を必要としないという利点を有しており、より軽量でよりコンパクトで電源のないエクソスケルトンが可能となる。実際に、受動式の補償システムは、通常は、変形によって使用者の重量を支持する複数の弾性要素の複数のキネマティックチェーン（kinematic chains）からなる。

【0008】

しかし、受動式の補償技術のエクソスケルトンは、使用者によってとられる任意の姿勢に対して、全補償を荷重に適用することはできないが、ただ１つの均衡点（balance point）を有している。さらに、荷重時の運動の間において、使用者は弾性要素に荷重をかけるために力を発生させなければならない。

【0009】

能動式の補償技術は、代わりに、外部電源、電子装置、および制御ロジックを必要とする。不都合にも、電気式駆動モータは嵩張るので、エクソスケルトンを受動式の補償技術よりも重くし、より人間工学に基づかなくする。さらに、エネルギ消費が大きい場合には、エクソスケルトンを、軽量でコンパクトなバッテリーシステムで効果的に稼働させることはできない。

【0010】

このために、広く普及しているほとんどのエクソスケルトンは、産業分野においても生物医学分野においても受動式の補償タイプのものである。

【0011】

能動式のエクソスケルトンシステムおよび重力荷重補償装置（gravitational load compensation devices）の例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４に提示され、これら特許文献は、アクチュエータを含む解決手段を記載している。

【0012】

受動式の、エクソスケルトンシステムおよび重力荷重補償装置の例は、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０および特許文献１１に提示され、これら特許文献は、エクソスケルトンと、使用者に装着可能な装置とにおいて提案されている、調整可能なタイプでもある弾性要素を、含んでいる。

【0013】

重力荷重補償装置のさらなる例は特許文献１２に提示され、特許文献１２は、装着可能な要素に接続された複数の受動力要素を備える四肢を支持し、かつ、モータ駆動ケーブルを有する牽引アクチュエータによって駆動される能動的要素を支持する装置に言及している。しかしながら、特許文献１２から知られている装置は、能動式のシステムと受動式のシステムとの間のハイブリッド構造を実現しているにも関わらず、この装置も不利益を有しており、その適用に限界がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【文献】韓国公開特許第２０１６００７１６６１号公報

【文献】欧州特許出願公開第３２７８９３８号公報明細書

【文献】国際公開第２０１７／１６１２５７号

【文献】国際公開第２０１５／１０６２７８号

【文献】韓国公開特許第２０１２００８２２２１号公報

【文献】国際公開第２０１５／１４７５８４号

【文献】カナダ国特許出願公開第２９５２４０３号明細書

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１８４８８０号明細書

【文献】カナダ国特許出願公開第２５４４６４５号明細書

【文献】国際公開第２０１８／１６５３９９号

【文献】欧州特許出願公開第２８６１３８７号明細書

【文献】欧州特許出願公開第３３４２３９０号明細書

【発明の概要】

【0015】

本発明の目的は、先行技術の欠点を解決することである。

【0016】

本発明のさらなる特定の目的は、エネルギ消費の削減がなされ、したがって携帯用のバッテリーシステムによっても効率よく電力が供給され得る装置を提供することである。

【0017】

本発明のさらなる特定の目的は、使用者によってとられるどのような姿勢に対しても、可変の荷重補償、特に重力荷重の補償を可能にすることである。

【0018】

本発明のさらなる特定の目的は、より軽量でより人間工学的なエクソスケルトンを得るために、完全に能動式であるものよりも嵩張らない装置を提供することである。

【0019】

上記の目的およびその他の目的は、本明細書の必須の部分を形成する添付の請求項の特徴による荷重補償装置および関連するエクソスケルトンによって達成される。

【0020】

本発明の根底にある考えは、荷重補償装置であって、
支持構造に拘束されるように構成された補助関節と、
補助関節に接続された近位端部を備える主ロッドであって、印加される荷重によって応力が加えられるように構成された遠位端部をさらに備える主ロッドと、
第１の端部と第２の端部とを備える補助ロッドであって、第１の端部は、主ロッドに対して補助ロッドを回転させるために、主ロッド上にヒンジ接続され、第２の端部は、印加される荷重が位置する平面上で動くことができる、補助ロッドと、
補助ロッドの第２の端部と、主ロッドの遠位端部と、の間で作用する弾性力を提供するように構成された弾性要素と、
弾性要素に予め印加される荷重を変えるために、補助ロッドの第２の端部と、補助関節と、の間の距離を変更するように構成された調整システムと、
を備え、
弾性要素は、印加される荷重を主ロッドを横断する方向の成分について補償するために、荷重補償装置の運動の構成に基づいて弾性力を提供するように構成される、荷重補償装置を、提供することである。

【0021】

要するに、本発明に係る荷重補償装置は、エネルギ消費と嵩張りとを最小にしながら、それが挿入されるシステムの構造、たとえばエクソスケルトンやロボットアームの構造に対して荷重補償装置のフッキングポイント（hooking point）を表す主ロッドに作用する力の効果を、たとえば重力の効果を、完全に特定および補償するという目的で設計されている。

【0022】

そして、本発明の荷重補償装置は、適切なセンサと制御ロジックが設けられている機械的構造を備え、予め荷重が印加されている弾性要素は、必要な補償力を提供する。

【0023】

有利には、本発明は、高いコンパクト性と低エネルギ消費を確保しながら、使用者の動きに適合される荷重補償を適用するように構成された、ハイブリッド技術を実現する荷重補償装置の実現を可能にする。

【0024】

特に、本発明に係る荷重補償装置は、任意のタイプの装置やエクソスケルトンに拡張可能な単一の装置の内部で受動式のものの技術の長所と能動式のものの技術の長所との融合を可能にする。

【0025】

本発明に係る荷重補償装置は、有利には、たとえば、産業ロボット、リフトシステムまたはハンドリングシステムなどのさまざまな分野で、よりコンパクトでよりエネルギ消費が少ない装置を開発するために使用することができる。

【0026】

好ましくは、上記の荷重補償装置は、上記の支持構造と関連する可動の調整要素を備える。特に好ましくは、可動の調整要素は、調整ロッドおよびリニアアクチュエータシステムを有するか、またはケーブル・モータ駆動プーリーシステムを有する。

【0027】

好ましくは、弾性要素は、補助ロッドの第２の端部に少なくとも間接的に接続される。特に好ましくは、荷重補償装置は、プーリーが主ロッドの遠位端部の近傍に位置した状態で、補助ロッドの第２の端部を弾性要素に接続する補償ケーブルを備える。

【0028】

本発明の目的である荷重補償装置は、エクソスケルトンやロボットアームの１つまたは複数の関節に適用することができ、上記の解決手段を多自由度に適用することができる。

【0029】

本発明の根底にあるさらなる考えは、したがって、１つまたは複数の荷重補償装置を備えるエクソスケルトンを提供することである。

【0030】

さらなる特徴および利点は、本発明の好適で特に有利な実施形態を概説する、本発明の好適で非限定的な実施形態についての以下の詳細な記載および従属請求項からより明らかになる。

【0031】

本発明は、以下の図面を参照して非限定的な方法によって説明される。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】図１は、重力によって生じた荷重を受けている物体を保持する上肢の例を示す図である。

【図2】図２は、上肢に関与するエクソスケルトンであって、本発明に係る荷重補償装置を備えるエクソスケルトンを示す図である。

【図3】図３は、本発明に係る荷重補償装置の第１の実施形態を示す図である。

【図4a】図４ａは、本発明に係る荷重補償装置の例示的な性能を示す図である。

【図4b】図４ｂは、本発明に係る荷重補償装置の例示的な性能を示す図である。

【図5】図５は、本発明に係る荷重補償装置の第２の実施形態を示す図である。

【図6】図６は、本発明に係る荷重補償装置の第３の実施形態を示す図である。

【図7】図７は、骨盤および腰椎に関与するエクソスケルトンであって、本発明に係る荷重補償装置を備えるエクソスケルトンを示す図である。

【図8】図８は、本発明に係る荷重補償装置の第４の実施形態を示す図である。

【図9】図９は、本発明に係る荷重補償装置の第５の実施形態を示す図である。

【0033】

さまざまな図において、同一の要素が、同一の参照符号によって特定される。

【発明を実施するための形態】

【0034】

好適な実施形態では、本発明に係る荷重補償装置は、エクソスケルトンまたはロボットアームにおける重力荷重の効果を補償するために使用される。特に、本発明は、肩、腰椎を支える腰、膝などの、人体の複数の関節に適用可能なエクソスケルトンおよびロボットアームに関係している。本発明は、本発明に係る荷重補償装置のこの非限定的な適用に言及する。

【0035】

この例示的な適用では、上肢を使って運動を行うのに必要な労力のほとんどは、腕自体に作用するトルクと同一視され得る重力の効果に対処するのに使用される。したがって、肩が主に応力を受ける関節である。エクソスケルトンは、力の能力を増幅してそれを装着している使用者の労力をまさに軽減するように設計された装置である。特に、本発明に係る荷重補償装置は、上肢に対してまたは下肢に対しても、使用者の関節においてエクソスケルトンの内側に一体化されるように設計される。同様の適用が、拡張することでロボットアームに対して行い得る。

【0036】

図１は、重力加速度「ｇ」によって生じた荷重を受けている物体１１を保持する上肢１の例を示す。

【0037】

物体１１に作用する荷重「ｇ」は、上肢１の肩の屈曲伸展動作（flexo-extension movement）に対して特に関連性があるようになる。これは、大規模な小売流通の分野、および製造分野などの多くの産業分野において行われる「ピックアンドプレース」動作（pick & place movement）の場合である。

【0038】

上肢１は、それぞれ荷重１１ならびに質量７、９、１０、および１１の剛体６および８から構成されるとして図式化できる。ロッド６および８は、ヒンジ５によって互いに接続され、ヒンジ３を介してグラウンドに対して拘束されている。このシステムは、垂直平面における使用者の機構を表している。したがって、当該システムに作用しかつ重力加速度「ｇ」によって生じる重力の効果を補償するのに必要な、剛体６に印加される補償トルクは、角度２および４と、ロッド６および８の幾何学的な値と、対応する質量７、９、１０、および１１によって特定されるその位置であって、垂直平面内にとるその位置の関数となる。したがって、上記の重力効果は、上記のボディ７、９、１０、および１１の重心に作用する荷重によって生じる、ロッド６に生じるトルクとして理解され得る。

【0039】

図２は、上肢１に関与するエクソスケルトンであって、本発明に係る荷重補償装置２０１を備えるエクソスケルトンを示す。

【0040】

すでに記載したように、本発明の適用の非限定的な例は、図１にすでに示しているように、肩の屈曲伸展動作の間に、すなわち、垂直平面内の肩の回転動作の間に上肢に作用する重力荷重を補償することであり、図１において、矢印２は、肩の回転を表し、「ｇ」は重力ベクトルを表している。この場合において、エクソスケルトン１００は、使用者の肩が受ける重力荷重を補償するように構成されている。

【0041】

エクソスケルトン１００への荷重補償装置２０１の適用は、ピックアンドプレース運動のための上肢用のエクソスケルトンの場合には、ハイブリッド技術を提供するように例示されている。

【0042】

荷重補償装置２０１は、上方へと力が放出される支持構造１０２に接続される。ヒンジ３の周りに使用者によって課された肩の屈曲伸展動作の間に、補償の力は、アームレスト１０３を介して装置２０１から上肢へと伝えられる。ベルト１０４は、好ましくは、電子部品と、全ての能動部品の電源バッテリーと、を含み、一方では、ストリップ１０５が、腕と前腕との間の相対的な回転を検出するためのセンサを含む。

【0043】

一般的には、荷重補償装置は、エクソスケルトン１００において、調整システムに電力を供給するためのバッテリーと関連付けられ、さらに記載するように、複数のセンサと少なくとも１つのプロセッサとに関連付けられている。

【0044】

他の実施形態では、荷重補償装置は、主ロッドに印加された荷重の横断方向成分を補償する目的で、主ロッドが存在する支持構造に拘束されるように構成された補助関節を有する、ロボット、リフト装置、または荷重ハンドリング装置に適用することができる。

【0045】

図３は、本発明に係る荷重補償装置３０１の第１の実施形態を示している。

【0046】

荷重補償装置３０１は、特に重力荷重を補償するように構成され、支持構造３０３に拘束されるように構成された補助関節３０２を備えている。

【0047】

荷重補償装置３０１は、補助関節３０２に接続された近位端部３０５を備える主ロッド３０４であって、印加される荷重によって、たとえば、すでに記載した荷重１１によってストレスがかけられるように構成された遠位端部３０６をさらに備える主ロッド３０４をさらに備える。

【0048】

荷重補償装置３０１は、第１の端部３０８と第２の端部３０９とを備える補助ロッド３０７をさらに備える。第１の端部３０８は、主ロッド３０４に対して補助ロッド３０７を回転させるために、主ロッド３０４上にヒンジ接続される。代わりに、第２の端部３０９は、荷重補償装置３０１が補償する、印加される荷重１１が存在する平面上で動くことができる。

【0049】

特に、補助ロッド３０７は、印加される荷重１１の一般的な方向とは逆向きの方向に、主ロッド３０４の外側へと突出する。特に、図３の例示的な構成において、主ロッド３０４は水平であり、補助ロッド３０７は、略垂直な「上向きの」方向に、したがって、「下向き」である印加される荷重１１の一般的な方向とは反対側に、主ロッド３０４の外側へと突出する。

【0050】

好ましくは、補助ロッド３０７の第１の端部３０８は、主ロッド３０４の近位端部３０５と遠位端部３０６との間の中間にある位置で主ロッド３０４上にヒンジ接続される。

【0051】

特に、主ロッド３０４の遠位端部３０６が、すでに記載した要素１０３などの、変化し得る荷重を受ける可動の構造的要素の留め具に対応する。

【0052】

一般的には、ロッド３０４および３０７の長さ、拘束要素と荷重補償装置の一般的な運動の構成との間の距離は、所望の補償性能と、システム全体のエネルギおよびシステム全体の容積の制約と、に応じて決定される。

【0053】

荷重補償装置３０１は、補助ロッド３０７の第２の端部３０９と主ロッド３０４の遠位端部３０６との間で作用する弾性力を提供するように構成された弾性要素３１０をさらに備える。

【0054】

好適な実施形態では、弾性要素３１０は、引張または圧縮コイルばねを備える。変形例では、上記の弾性要素は、ゴムまたは目的に適した弾性材料で形成されるバンドであってもよい。

【0055】

好ましくは、弾性要素３１０は、補助ロッド３０７の第２の端部３０９に、少なくとも間接的に接続される。

【0056】

図３に示されているような好適な実施形態では、弾性要素３１０は、補助ロッド３０７の第２の端部３０９に間接的に接続され、特に、補助ロッド３０７の第２の端部３０９を弾性要素３１０に直接接続する補償ケーブル３１１が設けられる。

【0057】

好ましくは、弾性要素３１０は、軸方向に展開し、主ロッド３０４と略平行である。それによって、当該荷重補償装置は、よりコンパクトとなり、より高い剛性を有する弾性要素を挿入することができる。荷重補償装置３０１は、主ロッド３０４の遠位端部３０６の近傍にプーリー３１２をさらに備え、補償ケーブル３１１はプーリー３１２と係合する。

【0058】

変形例では、図９を参照して以下で説明されるように、補償ケーブルを必要とせずに、遠位端部３０６を第２の端部３０９に直接接続してこれら端部の間に介在させることによって、弾性要素３１０は、補助ロッド３０７の第２の端部３０９に直接接続され得る。

【0059】

荷重補償装置３０１は、弾性要素３１０に予め印加される荷重を変えるために、補助ロッド３０７の第２の端部３０９と補助関節３０２との間の距離を変更するように構成された調整システム３１３を更に備える。

【0060】

弾性要素３１０は、印加される荷重１１を主ロッドを横断する方向の成分について補償するために、荷重補償装置３０１によってとられる運動の構成に基づいて、弾性力を提供するように構成される。

【0061】

この意味で、好ましくは、調整システム３１３は、補償すべき荷重１１の上記の横断する方向の成分と、弾性要素３１０の弾性力によって提供される成分であって、上記の横断する方向の成分とは逆向きの成分と、の間の差を最小にするように構成される。

【0062】

荷重補償装置３０１によって行われる動作原理は、以下のとおりである。すなわち、使用者（エクソスケルトンまたはロボットアーム）によってとられる任意の姿勢において、センサおよびプロセッサを介して、適切な制御ロジックが、補助関節３０２に作用する重力トルク／重力を処理する。したがって、制御ロジックは、調整システム３１３が上記のアーム３０４および３０７の関節システムを通じて弾性要素３１０に予め印加される荷重を変更するように、また、補償の力が重力効果の１つと等しくなるように、調整システム３１３に送られるべき制御動作を処理する。

【0063】

特に、荷重補償装置３０１は、主ロッド３０４の絶対位置を測定し、さらに、印加される荷重１１の結果として補助関節３０２に応力を加えるトルクを測定するかまたは取得する複数のセンサをさらに備えている。さらにそのうえ、荷重補償装置３０１は、上記の複数のセンサと調整システム３１３とに動作可能に接続された少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）をさらに備え、そのようなプロセッサは、上記の補助関節に応力を加えるトルクの効果を相殺するために、弾性要素３１０に予め印加される荷重を計算するように構成される。

【0064】

好ましくは、上記プロセッサは、エクソスケルトンの使用者によって所望される動き、またはロボットのプログラミングによって必要とされる動きを支持する（second）ために、上記の複数のセンサによって測定された動的軌道に応じて、弾性要素３１０によって提供される弾性力を調整するようにさらに構成される。

【0065】

制御ロジックと、荷重補償装置３０１の作動サイクルを管理するための上記の複数のセンサと、によって実行される調整処理などの、上記の垂直平面内で使用者によってとられる任意の姿勢において実行され得る調整処理の例が、提示される。

【0066】

１つの例示的な作動サイクルは、以下の動作フローによって要約され得る。すなわち、
複数のセンサは、位置測定を行い、それらを制御ロジックに送る。
制御ロジックは、使用者によってとられる姿勢と、それに作用する対応する重力作用であって、基準の補助関節３０２に関するトルクとして表現される対応する重力作用と、を計算する。さらに、好ましくは、制御システムは、運動力学と、実行された軌道の種類と、を処理する。
プロセッサは、上記の重力作用の効果を相殺するトルクを得るために、弾性要素３１０に適用されるべき変形を計算する。
プロセッサは、ロッド３０４および３０７からなる関節システムの運動学を解くことによって得られることになる弾性要素３１０の所望の変形を可能にする調整システム３１３に送られる制御動作を処理する。

【0067】

好ましくは、そのような制御は、エクソスケルトン１００への適用において使用者の意図を支持する（second）ために、活動中の使用者によって課された軌道および運動状態に応じて駆動力を調整するように設計される。

【0068】

すでに記載したように、調整システム３１３は、弾性要素３１０に予め印加される荷重を変えるために、補助ロッド３０７の第２の端部３０９と、補助関節３０２と、の間の距離を変更するように構成される。一般的には、調整システム３１３は、さらに主ロッド３０４と補助ロッド３０７との間の相対的な角度を変えるように構成される。

【0069】

この目的のために、調整システム３１３は、支持構造３０３に関連づけられた可動の調整要素３１４を備えている。

【0070】

好ましくは、調整システム３１３は、可動の調整要素３１４を補助ロッド３０７の第２の端部３０９に接続する調整ロッド３２０をさらに備えている。好ましくは、可動の調整要素３１４は、調整ロッド３２０がヒンジ接続されるリニアアクチュエータ３２１を備える。

【0071】

好ましくは、リニアアクチュエータ３２１は、支持構造３０３に拘束される傾斜要素３２２に沿って動くことができる。

【0072】

図４ａおよび図４ｂは、本発明に係る荷重補償装置の例示的な性能を示している。

【0073】

特に、図４ａは、補助関節の周りの主ロッド３０４の回転角度に応じて使用者から必要とされる関節におけるトルクについて、本発明の装置が使用されていない場合（線４００）と荷重補償装置３０１を使用した場合（線４０１）との比較を示している。

【0074】

使用者から必要とされる労力は、本装置を使用する場合ではほとんど完全にゼロとなっている（線４０１、角度の任意の値に対して）と言うことができる。

【0075】

特に、図４ｂは、別の状況を示しており、そこでは、本発明の装置が使用されていない場合（線４０２）および荷重補償装置３０１を使用した場合（線４０３）において、エクソスケルトン１００は、トルクを供給することによって、使用者の代わりに補助関節３０２の回転を制御するモータを備えていると仮定されている。

【0076】

モータを有するが本発明の装置を使用していない能動式のエクソスケルトンの場合（線４０２）での電力と比べて、本発明の荷重補償装置を設けたエクソスケルトン１００の場合における総電力（角速度が一定であると仮定して計算した総電力）（線４０３）が、いかに作業範囲全体に沿ってほとんどゼロになっているかがわかる。

【0077】

これら例示されている性能は、本発明の荷重補償装置が、全作業範囲において、最小のエネルギ消費で、重力効果をほとんど完全に補償することができることを証明している。

【0078】

このために、本発明の荷重補償装置は、全体的により軽量でより効率の良いシステムのために、軽量でエネルギ消費の少ないモータが使用されることを可能にする。

【0079】

図５は、本発明に係る荷重補償装置５０１の第２の実施形態を示している。

【0080】

荷重補償装置５０１は、図３を参照して提示された実施形態３０１に関してすでに記載した要素を本質的に備える。

【0081】

すでに記載した実施形態３０１と比べて、荷重補償装置５０１は、特定の用途に適切な荷重補償を可能にする少し異なる運動の特徴を伴う全体的に相違する幾何学を提供する。

【0082】

さらに、すでに記載した実施形態３０１と比べて、荷重補償装置５０１は、別の傾斜要素５２２上を移動するリニアアクチュエータ３２１であって、異なる傾斜でかつ補助関節３０２には直接接続されてはいないが支持構造３０３にいずれにしても接続されているリニアアクチュエータ３２１を有する。

【0083】

つまり、荷重補償装置５０１は、支持構造３０３に関連付けられた可動の調整要素３１４を常に備える調整システム３１３を有し、リニアアクチュエータ３２１は、上記の支持構造に拘束された別の傾斜要素５２２に沿って動くことができ、傾斜要素５２２は、荷重補償装置５０１に対して異なる所望の運動の特徴に基づいて決定された所定の傾斜を有する。

【0084】

図６は、本発明に係る荷重補償装置６０１の第３の実施形態を示している。

【0085】

荷重補償装置６０１は、図３を参照して提示された実施形態３０１に関してすでに記載された要素を本質的に備える。

【0086】

したがって、荷重補償装置６０１は、上述の実施形態３０１および５０１に関して記載されたものと同じ動作原理を使用するが、ハイブリッド機械構造内部で別の調整システム６１３を使用する。

【0087】

特に、調整システム６１３は、可動の調整要素６１４を補助ロッド３０７の第２の端部３０９に接続するケーブル６２０をさらに備える。

【0088】

調整システム６１３の本実施形態では、可動の調整要素６１４は、ケーブル６２０を巻き取り、またはケーブル６２０が繰り出されるように構成されたモータ駆動のプーリー６２１を備えている。それによって、弾性要素３１０に予め印加される荷重を変えるために、調整システム６１３は、補助ロッド３０７の第２の端部３０９と補助関節３０２との間の距離を変更するように構成される。一般的に、調整システム６１３は、さらに主ロッド３０４と補助ロッド３０７との間の相対的な角度を変えるように構成される。

【0089】

好ましくは、モータ駆動のプーリー６２１は、補助関節３０２に対して固定された位置にあり、モータ駆動のプーリー６２１と補助関節３０２との間の第２の距離が、荷重補償装置６０１の所望の運動の特徴に基づいて決定される。

【0090】

つまり、調整システム６１３の本実施形態では、リニアアクチュエータ３２１が、ロータリーアクチュエータまたはモータ６２１に置換され、一方では、調整ロッド３２０が、モータ制御のプーリー６２１に巻き取られるケーブル６２０に置換される。

【0091】

図７は、骨盤および腰椎に関与するエクソスケルトン７００であって、本発明に係る荷重補償装置７０１を備えるエクソスケルトン７００を示している。

【0092】

荷重補償装置７０１の本実施形態では、腰椎用のエクソスケルトンに適用されている。

【0093】

荷重補償装置７０１は、支持構造７０２上へと力が放出される支持構造７０２に接続される。ヒンジ３の周りに使用者によって課された脚の運動の間に、補償の力が、上記の装置７０１から要素７０４を介して上記の肢へと伝えられる。要素７０４それ自体は、好ましくは、電子部品と、すべての能動部品の電源バッテリーとを含み、一方では、要素７０３と要素７０４との間の相対的な回転を検出するためのセンサが存在する。

【0094】

一般的には、荷重補償装置は、エクソスケルトンにおいて、調整システム、複数のセンサ、および少なくとも１つのプロセッサに電力を供給するバッテリーに関連付けられる。

【0095】

図８は、本発明に係る荷重補償装置の第４の実施形態を示す。

【0096】

荷重補償装置７０１は、腰椎の領域で労力を緩和するためにエクソスケルトン７００に適用される。この場合には、補助関節３０２は、骨盤の関節である。荷重補償装置７０１が取り付けられる支持構造は、２つの部品から構成され、当該２つの部品のうちの１つは脚の上部に取り付けられ、もう１つは骨盤に取り付けられる。

【0097】

荷重補償装置７０１は、すでに記載された荷重補償装置５０１と同じ実装に従う。

【0098】

図９は、本発明に係る荷重補償装置９０１の第５の実施形態を示す。

【0099】

荷重補償装置９０１は、図３および図５を参照して提示された実施形態３０１および５０１に関してすでに記載した要素のうちのいくつかを備えている。