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技術 パワーアシスト装置

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 山本貴史
出願日 2005年7月21日 (15年5ヶ月経過) 出願番号 2005-211375
公開日 2007年2月1日 (13年11ヶ月経過) 公開番号 2007-021082
状態 未査定
技術分野 リハビリ用具
主要キーワード 軌跡信号 労働作業 パワーアシストシステム 台車位置 移動順序 筋電センサ パワーアシストユニット 作業者自身
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2007年2月1日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

エネルギー損失が少なく,作業者の移動が容易なパワーアシスト装置を提供すること。

解決手段

パワーアシスト装置100は,主としてパワーアシスト部1と,台車部2と,制御部3とによって構成される。パワーアシスト装置100では,パワーアシスト部1および制御部3が台車部2に設置されており,台車部3の移動に伴って全体として移動可能になっている。パワーアシスト部1は,作業者の上半身に装着され,作業者の作業動作補助する。台車部2は,作業者が搭乗することによって作業者の移動を可能とする。また,パワーアシスト部1および制御部3を支持する。制御部3は,パワーアシスト部1を制御するパワーアシスト用制御系と,台車部2を制御する台車用制御系とを有する。

概要

背景

近年,衣服腕時計のように身体に装着して利用する,いわゆるウェアラブルコンピュータが注目されている。特に,腕力脚力の低下のために自力での作業が困難となった者の動作をアシストするパワーアシスト装置ウェアラブル技術が開示されている。

例えば,特許文献1には,作業者歩行補助するものとして,股関節回りや膝関節回りに外的トルクを付与するトルク付与ステムが開示されている。このトルク付与システムでは,腰部あるいは膝部に外的トルクを付与するアクチュエータを取り付け,さらにアクチュエータを制御する制御ユニットバッテリ等を作業者が背負うことによって,ウェアラブルなパワーアシスト装置を実現している。

この他,アクチュエータのみを作業者が装着し,その他のユニット,例えば制御ユニットや電源ユニット等を所定の位置に固定したパワーアシストシステムが考えられている。このようなパワーアシストシステムでは,各アクチュエータと制御ユニットとがケーブルを介して電気的に接続されており,そのケーブルを介して各アクチュエータの制御が行われる。
特開2003−79684号公報

概要

エネルギー損失が少なく,作業者の移動が容易なパワーアシスト装置を提供すること。パワーアシスト装置100は,主としてパワーアシスト部1と,台車部2と,制御部3とによって構成される。パワーアシスト装置100では,パワーアシスト部1および制御部3が台車部2に設置されており,台車部3の移動に伴って全体として移動可能になっている。パワーアシスト部1は,作業者の上半身に装着され,作業者の作業動作を補助する。台車部2は,作業者が搭乗することによって作業者の移動を可能とする。また,パワーアシスト部1および制御部3を支持する。制御部3は,パワーアシスト部1を制御するパワーアシスト用制御系と,台車部2を制御する台車用制御系とを有する。

目的

本発明は,前記した従来のパワーアシスト装置が有する問題点を少なくとも1つ解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,エネルギー損失が少なく,作業者の移動が容易なパワーアシスト装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

作業者の身体に装着して動作を補助するパワーアシスト装置において,複数の車輪を有し,作業者の搭乗が可能な台車部と,作業者の身体に装着され,複数のアクチュエータによって作業者の動作を補助するパワーアシスト部と,前記パワーアシスト部の各アクチュエータを制御する制御部とを備え,前記制御部は,前記台車部に支持されていることを特徴とするパワーアシスト装置。

請求項2

請求項1に記載するパワーアシスト装置において,前記台車部に対する移動指示を与える操作部を備えることを特徴とするパワーアシスト装置。

請求項3

請求項2に記載するパワーアシスト装置において,前記操作部は,前記台車部の上面に配置された操作板と,前記操作板への押圧力を検知する押圧力検知部と,前記押圧力検知部の出力を基に前記台車部の移動方向を決定する台車制御部とを有することを特徴とするパワーアシスト装置。

請求項4

請求項3に記載するパワーアシスト装置において,前記台車制御部は,前記押圧力検知部の出力を基に前記台車部の移動速度を決定することを特徴とするパワーアシスト装置。

請求項5

請求項2に記載するパワーアシスト装置において,前記操作部は,作業者の脚部に装着され,作業者の脚部の動作を検知する脚部動作検知部と,前記脚部動作検知部の出力を基に前記台車部の移動方向を決定する台車制御部とを有することを特徴とするパワーアシスト装置。

請求項6

請求項5に記載するパワーアシスト装置において,前記台車制御部は,前記脚部動作検知部の出力を基に前記台車部の移動速度を決定することを特徴とするパワーアシスト装置。

請求項7

請求項2に記載するパワーアシスト装置において,前記操作部は,前記台車部が移動可能な場所への軌道が記憶された軌道記憶部と,前記台車部の移動先の場所を選択することが可能な移動先選択部と,前記移動先選択部にて選択された場所への軌道を前記軌道記憶部から取得し,その軌道に沿って前記台車部を移動させる台車制御部とを有することを特徴とするパワーアシスト装置。

技術分野

0001

本発明は,工場内で作業を行う身障者高齢者,重労働作業者等の作業動作補助するパワーアシスト装置動作補助装置)に関する。さらに詳細には,作業者の身体に装着して作業動作を補助するパワーアシスト装置に関するものである。

背景技術

0002

近年,衣服腕時計のように身体に装着して利用する,いわゆるウェアラブルコンピュータが注目されている。特に,腕力脚力の低下のために自力での作業が困難となった者の動作をアシストするパワーアシスト装置のウェアラブル技術が開示されている。

0003

例えば,特許文献1には,作業者の歩行を補助するものとして,股関節回りや膝関節回りに外的トルクを付与するトルク付与ステムが開示されている。このトルク付与システムでは,腰部あるいは膝部に外的トルクを付与するアクチュエータを取り付け,さらにアクチュエータを制御する制御ユニットバッテリ等を作業者が背負うことによって,ウェアラブルなパワーアシスト装置を実現している。

0004

この他,アクチュエータのみを作業者が装着し,その他のユニット,例えば制御ユニットや電源ユニット等を所定の位置に固定したパワーアシストシステムが考えられている。このようなパワーアシストシステムでは,各アクチュエータと制御ユニットとがケーブルを介して電気的に接続されており,そのケーブルを介して各アクチュエータの制御が行われる。
特開2003−79684号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら,前記した従来のパワーアシスト装置には,次のような問題があった。すなわち,従来のウェアラブルなパワーアシスト装置では,作業者が装置全体を背負うため,装置全体の軽量化および小型化が要請される。しかし,装置の軽量化および小型化を優先すると,装置の機械的強度がなくなる。つまり,装置の軽量化および小型化と,装置の機械的強度の向上とがトレードオフの関係にある。

0006

例えば,特許文献1に示すようなパワーアシストシステムでは,作業者が制御ユニットおよび電源ユニットを含む装置全体を装着している。そのため,各アクチュエータは,作業者の自重に加えてそれらのユニットの重量も加味したトルクを付与しなければならなく,エネルギー損失が大きい。また,付与するトルクが大きいことから,各アクチュエータに要求される機械的強度も大きい。従って,装置の小型化,軽量化が困難である。

0007

また,制御ユニット等を所定の位置に固定することにより,制御ユニット等を作業者が装着しないようにすることができる。しかしながら,制御ユニット等を固定すると,移動を伴う作業を行う場合,パワーアシストユニットと制御ユニットと接続するケーブルが作業者の移動の妨げとなる。また,制御ユニット等が固定されているがゆえに移動範囲が限定される。

0008

本発明は,前記した従来のパワーアシスト装置が有する問題点を少なくとも1つ解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,エネルギー損失が少なく,作業者の移動が容易なパワーアシスト装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0009

この課題の解決を目的としてなされたパワーアシスト装置は,作業者の身体に装着して動作を補助するパワーアシスト装置であって,複数の車輪を有し,作業者の搭乗が可能な台車部と,作業者の身体に装着され,複数のアクチュエータによって作業者の動作を補助するパワーアシスト部と,パワーアシスト部の各アクチュエータを制御する制御部とを備え,制御部が台車部に支持されていることを特徴としている。

0010

本発明のパワーアシスト装置は,作業者の身体に装着して作業者の動作を補助する,いわゆるウェアラブルなパワーアシスト装置である。また,作業者の搭乗が可能な台車部を有する。そのため,作業者は,パワーアシスト部を装着した上でその台車部に搭乗して作業を行う。すなわち,作業者は,台車部上でパワーアシスト部を利用する。このとき,パワーアシスト部の各アクチュエータを制御する制御部は,台車部によって支持されており,台車部2からの反力によって支えられる。

0011

すなわち,本発明のパワーアシスト装置は,作業者が制御部を背負うことはない。そのため,従来のパワーアシスト装置のように制御部の重量分をパワーアシスト部のアクチュエータによって支える必要はない。従って,エネルギー損失が少ない。また,小トルクでのパワーアシストが可能になる。また,作業者が制御部を背負う必要がないため,パワーアシスト部の大型化や高剛性化許容される。そのため,機械的強度が確保され,安全性や信頼性が向上する。

0012

また,本発明のパワーアシスト装置では,台車部とともに作業者(すなわち,作業者が装着しているパワーアシスト部)および制御部が移動する。そのため,移動の自由度が大きい。

0013

また,工場等の特定の場所で利用する場合,必ずしも歩行動作が必須となるとは限らない。すなわち,直線的な移動や平滑面のみを移動するのであれば,歩行動作によって移動する必要はない。本発明のパワーアシスト装置では,台車部によって移動を行う。そのため,歩行動作によって移動を行うものと比較して構造がシンプルであり,操作も容易である。

0014

また,本発明のパワーアシスト装置は,台車部に対する移動指示を与える操作部を備えることとするとよりよい。すなわち,操作部を設けることにより,作業者は操作部を介して所望の場所へ移動する指示を与えることが可能となる。つまり,作業者自身による台車部の操作が可能になる。

0015

前述した操作部としては,例えば,台車部の上面に配置された操作板と,その操作板への押圧力を検知する押圧力検知部と,押圧力検知部の出力を基に台車部の移動方向を決定する台車制御部とを備えればよい。この操作部では,操作板への押圧によって移動方向を判断することができる。また,操作板への押圧力によって移動速度を判断することができる。従って,作業者からの移動指示による台車部の移動が可能となる。

0016

この他,例えば,作業者の脚部に装着され,作業者の脚部の動作を検知する脚部動作検知部と,脚部動作検知部の出力を基に台車部の移動方向を決定する台車制御部とを備えればよい。この操作部では,脚部動作検知部によって検知される脚部の変位量(例えば関節部に備えられたセンサによって得られる関節角の変位量)によって移動方向を判断することができる。また,加速度の変位量等によって移動速度を判断することができる。従って,作業者からの移動指示による台車部の移動が可能となる。

0017

この他,例えば,台車部が移動可能な場所への軌道が記憶された軌道記憶部と,台車部の移動先の場所を選択することが可能な移動先選択部と,移動先選択部にて選択された場所への軌道を軌道記憶部から取得し,その軌道に沿って台車部を移動させる台車制御部とを備えればよい。この操作部では,ボタンやスイッチ等の選択によって移動先を判断することができる。従って,作業者からの移動指示による台車部の移動が可能となる。

発明の効果

0018

本発明によれば,作業者がパワーアシスト部の制御部を背負うことはないため,その制御部の重量分をパワーアシスト部のアクチュエータによって支える必要がない。また,制御部が台車部に設置され,パワーアシスト部とともに移動することから,移動の制約を受けない。また,台車部によって作業者に負担をかけることなく移動することができる。よって,エネルギー損失が少なく,作業者の移動が容易なパワーアシスト装置が実現されている。

発明を実施するための最良の形態

0019

以下,本発明に係るパワーアシスト装置を具体化した実施の形態について図面を基に説明する。本実施の形態は,工場内で利用し,上半身による作業動作を補助するパワーアシスト装置に本発明を適用したものである。

0020

[第1の形態]
第1の形態のパワーアシスト装置100は,図1に示すように,主としてパワーアシスト部1と,台車部2と,制御部3とによって構成されている。本形態のパワーアシスト装置100では,パワーアシスト部1および制御部3が台車部2に設置されており,作業者は台車部2に搭乗して作業を行う。さらに,台車部3の移動に伴ってパワーアシスト部1,制御部3および作業者の移動が可能になっている。

0021

パワーアシスト部1は,作業者の上半身に装着され,作業動作を補助するものである。本形態のパワーアシスト部1は,腰部,左右の肩部,左右の部,左右の手首部に相当する部位にアクチュエータを備えており,トルクを付与することができる。さらに,各アクチュエータは,関節角を検出するための角度センサを備えており,関節角を計測するとともに関節角を調節することができる。また,パワーアシスト部1は,筋肉を動かした際に体内で発生する電気信号を検出する筋電センサを備えている。なお,パワーアシスト部1は,作業者の作業動作を補助できるものであればよく,実施の形態に限定するものではない。例えば,上半身だけではなく下半身の動作も補助できるものであってもよい。

0022

台車部2は,作業者の移動を可能とするとともにパワーアシスト部1および制御部3を支持するものである。台車部2は,回転自在な4つの車輪21と,車輪21によって支持される荷台22と,床反力センサを内蔵したステップ23とを備えている。各車輪21は,駆動源として個別にモータを備えている。また,ステップ23は右足用のステップ23Rと左足用のステップ23Lとが一対となっている。なお,台車部2は,作業者の移動手段と制御部3の支持手段とを兼用できるものであればよく,実施の形態に限定するものではない。

0023

制御部3は,パワーアシスト部1を制御するパワーアシスト用制御系と,台車部2を制御する台車用制御系とを有している。パワーアシスト用制御系と台車用制御系はそれぞれ独立した状態になっている。そのため,本形態では両制御系が一体であるが,各制御系が別体であってもよい。

0024

パワーアシスト用制御系31は,例えば図2に示すように,アシストトルク算出部311と,モータ制御部312とを有している。パワーアシスト用制御系31には,作業者の上半身に装着された筋電センサからの電気信号やアクチュエータに付設された角速度センサからの電気信号が入力され,パワーアシスト部1の各アクチュエータのモータに駆動信号が出力される。

0025

パワーアシスト用制御系31は,次のような制御を行う。まず,アシストトルク算出部311は,各センサからの電気信号を基に,各アクチュエータに必要なトルクを算出し,アシストトルク指令としてモータ制御部312に出力する。次に,モータ制御部312は,入力されたアシストトルク指令を基に,各アクチュエータのモータを駆動する電気信号を出力する。これにより,パワーアシスト部1による作業動作の補助が行われる。

0026

台車用制御系32は,例えば図3に示すように,右足の床反力および重心位置を算出する右足反力算出部321と,左足の床反力および重心位置を算出する左足反力算出部322と,台車の移動方向および移動速度を算出する速度ベクトル算出部323と,モータ制御部324とを有している。台車用制御系32には,ステップ23に内蔵された床反力センサからの電気信号が入力され,台車部2のモータに駆動信号が出力される。

0027

台車用制御系32は,次のような制御を行う。まず,右足反力算出部321は,右足用のステップ23Rに内蔵された床反力センサからの電気信号を基に,右足部の床反力および重心位置を算出し,床反力信号として速度ベクトル算出部323に出力する。また,左足反力算出部322は,左足用のステップ23Lに内蔵された床反力センサからの電気信号を基に,左足部の床反力および重心位置を算出し,床反力信号として速度ベクトル算出部323に出力する。

0028

次に,速度ベクトル算出部323は,両床反力信号を基に台車部2の移動速度および移動方向を決定し,速度ベクトル信号としてモータ制御部324に出力する。例えば,各足の重心位置を基に移動方向を判断する。また,床反力の大きさや変位量を基に移動速度を判断する。つまり,ステップ23への踏み込みによって作業者の移動意図を推定し,その意図に沿った速度ベクトルの信号を出力する。モータ制御部324は,入力された速度ベクトル信号を基に,台車部2の各モータを駆動する電気信号を出力する。これにより,作業者の意図に沿って台車部2が移動する。

0029

なお,台車部2は,作業者の腰部にジャイロセンサを設置し,胴体姿勢角度,角速度,および角加速度を検出してもよい。そして,これらのデータから求められる作業者の胴体加速度と台車部2の加速度との差分を基に,速度ベクトルの補正を行ってもよい。すなわち,作業者(搭乗者)の乗り心地を向上させるための補正処理を行ってもよい。

0030

本形態のパワーアシスト装置100では,パワーアシスト部1の制御を行う制御部3が台車部2に支持されており,制御部3による重量の増分をすべて台車部2からの反力によって支えている。つまり,従来のパワーアシスト装置のように作業者が制御部3による重量の増分を負担することはない。そのため,エネルギー損失が少ない。また,小トルクでのパワーアシストが可能になる。

0031

また,制御部3を背負う必要がないため,作業者の負荷が小さい。そのため,パワーアシスト部1を構成する各部材の機械的強度を強化することが許容される。さらに,機械的強度を高くすることにより,安全性および信頼性を確保することができる(すなわち,作業者の筋肉だけではなく,骨の代替も可能となる)。

0032

また,パワーアシスト装置100では,作業者が台車部2に搭乗している。そして,作業者がステップ23への踏み込みを調節することにより,台車部2の移動速度および移動方向を操作している。つまり,作業者自身による台車部2の運転が可能になっている。また,パワーアシスト装置100は,制御部3が台車部2上に設置されていることから,制御部3とパワーアシスト部1とがとともに移動する。そのため,作業者の移動の自由度は高い。

0033

また,パワーアシスト装置100では,台車部2によって移動を行う。すなわち,歩行動作による移動は行わない。そのため,歩行動作によって移動するものと比較して構造がシンプルであり,操作も容易である。

0034

[第2の形態]
第2の形態のパワーアシスト装置200は,図4に示すように,主としてパワーアシスト部4と,台車部5と,制御部6とによって構成されている。パワーアシスト装置200でも,パワーアシスト部4および制御部6が台車部5に設置されている。また,本形態のパワーアシスト装置200は,作業者の下半身に装着し,下半身の動作(例えば歩行動作)によって台車部5を操作可能な台車操作ユニット51を備えている。すなわち,パワーアシスト装置200は,ウェアラブルな台車操作ユニット51を備えている。

0035

具体的に,台車操作ユニット51は,腰部,左右の膝部,左右の足首部に相当する部位に角度センサを備えており,関節角を計測する。制御部6は,パワーアシスト部4を制御するパワーアシスト用制御系と,台車部5を制御する台車用制御系とを有している。パワーアシスト用制御系は第1の形態と同様であり,説明を省略する。

0036

台車用制御系62は,例えば図5に示すように,台車の移動方向および移動速度を算出する速度ベクトル算出部621と,モータ制御部622とを有している。台車用制御系62には,作業者に装着された角度センサからの電気信号が入力され,台車部5のモータに駆動信号が出力される。

0037

台車用制御系62は,次のような制御を行う。まず,速度ベクトル算出部621は,台車操作ユニット51の各センサからの電気信号を基に,台車部5の移動速度および移動方向を算出する。例えば,各センサからの電気信号を解析することによって得られる関節角の変位量によって移動方向を判断する。また,角加速度の変位量によって移動速度を判断する。つまり,作業者の下半身の動作から得られる電気信号を基に,作業者の移動意図を推定する。モータ制御部622は,入力された速度ベクトル信号を基に,台車部5の各モータを駆動する電気信号を出力する。これにより,作業者の意図に沿って台車部5が移動する。

0038

本形態のパワーアシスト装置200では,ウェアラブルな台車操作ユニット51にて作業者の歩行動作による台車部5の運転を可能にしている。よって,パワーアシスト装置200は,操作性に優れている。

0039

[第3の形態]
第3の形態のパワーアシスト装置300は,図6に示すように,パワーアシスト部7と,台車部8と,制御部9とによって構成されている。パワーアシスト装置300でも,パワーアシスト部7および制御部9が台車部8に設置されている。また,本形態のパワーアシスト装置300は,台車部8の移動先を選択することが可能なボタン81を備えている。すなわち,パワーアシスト装置300は,作業者によるボタン81の選択によって移動する。

0040

具体的に,ボタン81には,工場内の移動先が割り当てられている。そして,作業者は,ボタン81の選択によって工場内の所定位置にあらかじめ設定された軌跡に従って移動する。すなわち,台車部8の移動の軌跡をあらかじめプログラミングしておき,ボタン81によって作業者の移動を行う。特定の作業を行う工場内では,移動範囲および移動順序が限定されるため,移動の自由度を多少狭めても問題にならない。

0041

制御部9は,パワーアシスト部7を制御するパワーアシスト用制御系と,台車部8を制御する台車用制御系とを有している。パワーアシスト用制御系は第1の形態と同様であり,説明を省略する。台車用制御系92は,例えば図7に示すように,台車の軌道を取得する台車軌道取得部921と,台車の移動方向および移動速度を算出する速度ベクトル算出部922と,モータ制御部923と,台車の現在位置を検出する台車位置検出部924と,台車の軌道を記憶する軌道記憶部920とを有している。台車用制御系92には,作業者に装着されたボタンからの電気信号が入力され,台車部8のモータに駆動信号が出力される。

0042

台車用制御系92は,次のような制御を行う。まず,台車軌道取得部921は,作業者が選択したボタン81からの電気信号を基に,そのボタン81に対応する台車の軌跡を軌跡記憶部920から読み出す。

0043

次に,速度ベクトル算出部922は,台車軌道取得部921からの軌跡信号と台車位置検出部924からの台車位置信号とを基に台車の軌道制御を行う。すなわち,台車部8の速度ベクトルを,軌跡信号によって求められる目標位置と台車位置信号によって求められる測定位置との偏差がなくなるようにフィードバック制御を行う。

0044

モータ制御部923は,速度ベクトル算出部922から入力された速度ベクトル信号を基に,台車部8の各モータを駆動する電気信号を出力する。これにより,作業者の意図に沿って台車部8が移動する。

0045

本形態のパワーアシスト装置300では,移動手段の構成をシンプルにできるとともに作業者の操作負担を軽減することができる。なお,移動先を選択するボタン81は,台車8の上面に配置されているものに限らない。すなわち,パワーアシスト部7に付設され,手によって選択するものであってもよい。

0046

なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,作業者の移動指示手段は,ステップの押圧(第1の形態),歩行動作(第2の形態),ボタンの選択(第3の形態)に限るものではない。

0047

他の移動指示手段としては,例えば台車部2にスティック状操作手段を配設し,作業者の操作によって台車部2の移動を行うこととしてもよい。すなわち,一方の腕が自由になっている場合やパワーアシスト機能をオフしている場合に,作業者の手によって操作しても問題はない。そのため,スティック状の操作手段によって作業者の移動を可能とすることで,移動の自由度の向上および操作性の向上を図ることができる。

図面の簡単な説明

0048

第1の形態にかかるパワーアシスト装置の構成を示す概略図である。
第1の形態にかかるパワーアシスト用制御系の機能構成を示すブロック図である。
第1の形態にかかる台車用制御系の機能構成を示すブロック図である。
第2の形態にかかるパワーアシスト装置の構成を示す概略図である。
第2の形態にかかる台車用制御系の機能構成を示すブロック図である。
第3の形態にかかるパワーアシスト装置の構成を示す概略図である。
第3の形態にかかる台車用制御系の機能構成を示すブロック図である。

符号の説明

0049

1,4パワーアシスト部
2,5台車部
3,6 制御部
23 ステップ
31パワーアシスト用制御系
32,62,92台車用制御系
51 台車操作ユニット
81 ボタン
100 パワーアシスト装置

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