JP2003220102A

JP2003220102A - 動作支援装置

Info

Publication number: JP2003220102A
Application number: JP2002020598A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yokomizo; 修横溝
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-08-05
Anticipated expiration: 2022-01-29
Also published as: JP3917432B2

Abstract

(57)【要約】【課題】人体に対する全荷重を概略所定の割合で人体と
支援装置とが負担して、人体の負荷を軽減し、自然な動
作が可能な動作支援装置を実現する。【解決手段】ベルト10にモーメント発生部20を配置し膝
側面にモーメント発生部40a、40bを配置する。モーメン
ト発生部20、40aをビーム30aで接続しベルト80、90で大
腿に固定する。ベルト80、90とモーメント発生部40bを
ビーム30bで接続しモーメント発生部60a、60bとモーメ
ント発生部40a、40bをビーム50a、50bで接続する。ビー
ム50a、50bをベルト100、110で脛部に固定し足支持部70
とモーメント発生部60a、60bを接続し支持部70と足先を
ベルト120で接続する。各モーメント発生部の発生モー
メント、加速度、回転角度、支持部70の荷重を検出しエ
ネルギ源兼制御ユニット3がモーメント発生部の支援力
が０のときの人体発生力を演算し一定の軽減率ｆを掛け
た支援力をモーメント発生部に発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として人体の四
肢の動作を支援する動作支援装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】人間が坂道や階段等を歩行する場合、通
常の平坦な道等を歩行する場合より筋力を要し、高齢化
や疾病により筋力が弱っている人の場合、自力での歩行
が困難なときがある。

【０００３】また、自重以外に荷物や介護すべき他の人
間の体を抱えている場合など、坂道等の歩行は特に困難
である。

【０００４】また、高齢や疾病でない場合でも、一人で
は不可能な重量物を運ぶことができたり、力のいる作業
を行うことができたり、あるいは通常より速く歩くこと
ができれば、日常生活や仕事上、便利である。

【０００５】さらに、そうした動作支援があれば、山道
や屋内など通常の車両等では行けない場所に、人がより
容易に行くことが出来、災害救助をより速やかに行った
り、若しくは、より快適にレジャー等を楽しむことが出
来る。

【０００６】動作支援装置の従来技術としては、人間の
四肢のうち、主として腕の動作を支援する機械装置とし
て、例えば特開２００１−１４５６３８号公報や特開平
９−２８５９８４号公報等に記載されているように、人
体の発生している力を検出して、その力に比例した力を
対象物に加えるものがある。

【０００７】また、特開平１１−２７７４７３号公報に
記載されている技術のように、高齢化や疾病等による腕
の震えを補い、きれいな文字等を書くための支援装置も
提案されている。

【０００８】また、下肢の運動の支援に関しては、特開
平７−１１２０３５号公報に記載されているように、人
体に装着され、外骨格を形成するビーム状構造物により
人体の体重と、外骨格に接続された体重以外の荷重の少
なくとも一部を支え、歩行を支援する技術が開示されて
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
にあっては、人がかがんで物を持ち上げたり、階段を昇
ったりしたときの姿勢の違いにより人体各部の筋肉が発
生する力に差が生じることは考慮されていない。

【００１０】また、手で荷物を持ったり物を押したり引
いたりしているときに付加される荷重に応じて、支援す
る力を制御し、人体各部の筋肉が負担する力を、所定の
割合で軽減する方法についても考慮されていない。

【００１１】すなわち、従来技術においては、人体が動
作支援装置の荷重計測装置に対して加える力に対して、
ある原理により支援装置の加速度を制御するとしている
が、例えば、人が足を前に出そうとしているときを考え
ると、そうした力が計測されるためには、動作支援装置
の荷重計測装置に対して足により荷重をかけねばなら
ず、一時的にではあるが、その人にとっては、足を前に
出そうとすることを阻害する方向に力が加えられること
となる。

【００１２】これは脚の動きにとっては動作を妨げるも
のである。

【００１３】仮に足を前に出そうとして支援装置の荷重
計測装置に前向きの力をかけたとき急速に支援装置の足
の部分が前に動いて人体の足を後ろから押したとすれば
動作の支援にはなる。しかし、そのときには支援装置の
荷重計測装置には、押した足により後ろ向きの荷重がか
かる可能性があり、足を前に出すために支援する力を減
少するように制御されることとなり、制御をうまく行わ
ないと動作が不安定になる可能性がある。

【００１４】また、このような制御方法では、人体が自
分で発生している各部の力と、支援装置の支援によって
発生している各部の力の相対関係が保証されない。つま
り、人体が発生している各部の力のバランスが考慮され
ておらず、人にとって不自然な支援力となる可能性があ
る。

【００１５】動作支援装置により、人体が自然に動作を
行うためには、例えば動作支援装置がない場合に人体が
負担すべき荷重に対し、人体の各部が発生する力（筋
力）が、その２分の１とか、８０％とかいった概略一定
の割合で人体が発生する力が減少され、所定の動作を行
えることが望ましい。

【００１６】本発明の目的は、手や肩等の上半身で保持
している荷物や、押したり引いたりしている物等によっ
て発生する力を含めた、人体に対する全荷重を概略所定
の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を軽
減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現すること
である。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成される。（１）人体の動作を支援する力を発生する動作支援装置
において、人体の大腿部に沿って配置される大腿部支持
部材と、人体の脛部に沿って配置される脛部支持部材
と、人体の足に沿って配置される足支持部材と、人体の
膝近辺に配置され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材
とに接続され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材との
互いの曲げモーメントを発生する膝モーメント発生部
と、人体の踝近辺に配置され、上記脛部支持部材と足支
持部材とに接続され、上記脛部支持部材と足支持部材と
の互いの曲げモーメントを発生する踝モーメント発生部
と、上記膝モーメント発生部及び踝モーメント発生部に
より、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部
材に発生した力を人体の下肢の複数箇所に伝達する力伝
達手段と、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支
持部材と人体の下肢との間に発生する力を検出する力セ
ンサと、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持
部材の長手方向と、重力を含む人体にかかる加速度の方
向の成す角度を検出する角度センサと、上記力センサ及
び角度センサからの検出信号に基づいて、人体の動作に
対し、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部
材支持部材からの支援力がないときに人体が発生すべき
力を演算し、演算した力に一定の比率を掛けた支援力を
算出し、算出した支援力を発生するように、上記膝モー
メント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給
する動力源兼制御部とを備える。

【００１８】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、
それぞれ、長さ方向の寸法を変更する寸法変更手段を有
することを特徴とする動作支援装置。

【００１９】（３）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部
材は、それぞれ、長さ方向の寸法を計測する長さ計測手
段を有し、この長さ計測手段により計測された寸法に基
づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を
発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モー
メント発生部に動力を供給する。

【００２０】（４）また、好ましくは、上記（１）、
（２）又は（３）において、大腿部、脛部、足の少なく
とも一つの重量が設定され、その設定された重量に基づ
いて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発
生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメ
ント発生部に動力を供給する。

【００２１】（５）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記力伝達手段は、上記大腿部支持部材を、人体
の太腿上下部分に固定する第１の固定部材と、上記脛部
支持部材を人体の脛上下部分に固定する第２の固定部材
と、上記足支持部材を人体の足に固定する第３の固定部
材とを有する。

【００２２】（６）また、好ましくは、上記（１）、
（２）、（３）、（４）又は（５）において、上記動力
源兼制御部は、大気圧より高い圧力の気体を発生する動
力源を有し、この動力源から発生される圧力を上記膝モ
ーメント発生部、上記踝モーメント発生部に供給するこ
とにより、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメン
ト発生部に動力を供給する。

【００２３】（７）また、好ましくは、上記（６）にお
いて、上記動力源は、圧縮ガスまたは圧縮し液化したガ
スを貯蔵し、上記動力源兼制御部は、上記動力源からの
ガスを加熱する加熱手段を、さらに有する。

【００２４】（８）また、好ましくは、上記（７）にお
いて、上記圧縮ガスあるいは液化ガスが膨張あるいは気
化、膨張する際の吸熱作用を用いて人体を冷房する冷房
手段を、さらに備える。

【００２５】（９）また、好ましくは、上記（７）にお
いて、上記圧縮したガスあるいは液化したガスを加熱す
る手段による熱を用いて人体を暖房する暖房手段を、さ
らに備える。

【００２６】（１０）人体の動作を支援する力を発生す
る動作支援装置において、人体の腰部に装着される腰支
持ベルトと、上記腰支持ベルトの両側面側に、それぞ
れ、配置される２つの腰部モーメント発生部と、膝部モ
ーメント発生部と、腰部モーメント発生部と膝部モーメ
ント発生部とを接続する外側大腿支持ビームと、上記外
側大腿支持ビームを人体の大腿に固定するための大腿上
部下部支持ベルトと、上記大腿上部下部支持ベルトと膝
の内側に配置される膝部モーメント発生部とを接続する
内側大腿支持ビームと、踝部モーメント発生部と、上記
膝部モーメント発生部と踝部モーメント発生部とを接続
する脛支持ビームと、脛支持ビームを人体の脛部に固定
するための脛上装着ベルト及び足首装着ベルトと、足支
持部と、上記足支持部と踝部モーメント発生部とを接続
する接続版と、足支持部を人体の足先に固定するための
足先装着ベルトと、腰部モーメント発生部、膝部モーメ
ント発生部及び踝部モーメント発生部に発生するモーメ
ント、加速度、回転角度を検出する第１のセンサと、足
支持部に加わる荷重を検出する第２のセンサと、上記第
１及び第２のセンサからの検出信号に基づいて、腰部モ
ーメント発生部、膝部モーメント発生部、踝部モーメン
ト発生部の各部に一定の軽減率で人体の動作を支援する
ために、それぞれ発生すべき、動作支援力を演算し、そ
の動作支援のためのエネルギーを、上記各モーメント発
生部に供給するエネルギー源兼制御ユニットとを備え
る。

【００２７】動力源兼制御部（エネルギー源兼制御ユニ
ット）は、モーメント発生部からの支援力が人体に加え
られていないときに人体各部が発生すべき力を演算し、
演算した力に一定の軽減率を掛けた支援力をモーメント
発生部に発生させる。

【００２８】したがって、人体に対する全荷重を概略所
定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を
軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現するこ
とができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照して説明する。まず、本発明の基本概念につい
て説明する。

【００３０】１．基本概念図１は、本発明による動作支援装置の概略外観図であ
る。人体は運動という観点では関節によって接続された
ビーム（骨）の集合体であり、ビームとビームとのなす
角およびビームのねじれ角を筋肉によって変えているも
のと見ることができる。

【００３１】本発明における動作支援装置は、四肢に沿
ったビームを人体の関節の位置で、ビームどおしで互い
に曲げられるように接続し、駆動機構によってビームと
ビームとの間に力のモーメントを発生させる。各ビーム
は人体に装着され、力のモーメントによって発生した力
が四肢に伝わるものとする。

【００３２】人体と動作支援装置との間の力は計測され
ているものとし、それによって各モーメントを制御す
る。

【００３３】人体の四肢の自由度は非常に多く、その全
てについてビームの曲げ方向を対応させ、かつ動力によ
って支援すべく構成しようとすると、動作支援装置が非
常に複雑なものになり、重量も過大なものになる可能性
がある。

【００３４】そこで、当初は、特に筋力に負担がかかる
動作にかかわる自由度についてのみ支援をすることに
し、その後の技術の進展に従って多数の自由度に対応す
る事にする。

【００３５】人体の首より上と手足の指とを除く、身体
の主要な自由度は、腰を基準に考えると表１の通りであ
る。

【００３６】

【表１】

【００３７】表１に示した自由度のうち、特に筋力に負
担がかかると思われるのは各部位の１番目に挙げている
自由度である。

【００３８】したがって、まず、これら特に筋力に負担
がかかる自由度に係わる動作を、装置の動力によって支
援し、他の自由度は、支援装置の自由度としては許容す
るが、動力による支援はしないこととする。

【００３９】２．モデル化及び基礎式の導出図２は、人体の数学モデルを示す図である。図２におい
て、下半身をビーム２ａ、３ａ、４ａで表す。

【００４０】そして、ビーム２ａは大腿、ビーム３ａは
脛、ビーム４ａはかかとからつま先の部分である足を示
す。各ビームの加速度方向からの角度を図２のように、
θ_２θ_３、θ_４と定義する。

【００４１】なお、ここで加速度といっているのは重力
加速度と、その他の加速度による慣性力を合わせた力の
方向である。例えば、人が乗り物に進行方向に対して前
を向いて乗っていて、その乗り物が加速している時には
人体には後向きの慣性力がかかるが、これと重力加速度
を合成した方向をここでは加速度方向と定義する。

【００４２】上半身の重量、荷物や物体との相互作用に
よる上半身から下半身にかかる任意の力は、加速度方向
力Ｇ_１と、水平方向の力Ｆ_１と、曲げモーメントｍ_１と
で表すことができる。

【００４３】なお、本発明による支援装置の上半身部分
や、支援装置を腰に装着する部分からも人体に力がかか
っている可能性があるが、力Ｇ_１、力Ｆ_１、モーメント
ｍ_１はそれらを差し引いた、脚部以下が負担しなくては
ならない力のみをあらわす。

【００４４】一方、ビーム２ａ、３ａの重量は、それぞ
れの長さ方向の中間の位置に集中しているものと仮定す
る。また、足にかかる力は重量を支えている時は足の裏
に分布を持ってかかるが、それを積分した併進力とモー
メントが等価な力Ｒ_１とＲ_２で代表させる。

【００４５】一方、足が持ちあがっている時は、逆に足
には靴や支援装置の足を支える部分の重量がかかるが、
これらも力Ｒ_１とＲ_２とを負にする事で表す事ができ
る。

【００４６】各ビームには支援装置から図３に示すよう
な、ビームに直交する力がかかっているものとする。実
際には支援装置からの力は下肢の端から少し離れた位置
にかかるはずであるが、ここでは人体が発生している力
を外部から推定する原理の検討が目的であるので、簡単
化のため支援装置からの力はビームの端にかかっている
ものとして扱う。

【００４７】これによる方程式の数や未知数の数に変化
はなく、力がかかっている位置を正確に取り扱った場合
でも以下と同様の式の導出は可能である。また、ビーム
２ａの端部には腰を支持する力を想定してビーム方向の
力Ｈ_１もかかっているものとする。ここで、体内にかか
っている力を図３に示すように、小文字で表す。

【００４８】各ビームの力のバランスを考えると次式
（１）〜（１５）が成り立つ。

【００４９】 m₁+m₂ = G₁L₂sinθ₂+F₁L₂cosθ₂+(1/2)G₂L₂sinθ₂-E₁L₂ ---（１） m₁+m₂ = r₂L₂sinθ₂+f₂L₂cosθ₂-(1/2)G₂L₂sinθ₂-E₂L₂ ---（２） r₂ = G₁+G₂- E₁sinθ₂+ E₂sinθ₂-H₁cosθ₂ ---(３） F₁- E₁cosθ₂+ H₁sinθ₂ = f₂- E₂cosθ₂ --- (４） m_２- m₃ = r₂L₃sinθ₃-f₂L₃cosθ₃+(1/2)G₃L₃sinθ₃+E₃L₃ ---（５） m_２- m₃ = r₂L₃sinθ₃-f₃L₃cosθ₃+(1/2)G₃L₃sinθ₃+E₄L₃ ---（６） r₂ = r₃-G₃- E₃sinθ₃+ E₄sinθ₃ ---（７） f₂- E₃cosθ₃ = f₃- E₄cosθ₃ ---（８） -m₃ = R₁L₄-(1/2)G₄L₄cosθ₄ ---（９） (R₁ + R₂)cosθ₄+ F₂sinθ₄ = r₃+ G₄ ---（１０） f ₃ = -(R₁ + R₂)sinθ₄+ F₂cosθ₄ ---（１１）式（１）と（２）両辺の差を取って、 (G₁-r₂)L₂sinθ₂+(F₁-f₂)L₂cosθ₂+G₂L₂sinθ₂-(E₁-E₂)L₂ = 0 ---（１２）式（３）より、 G₁- r₂ = -G₂+ (E₁- E₂)sinθ₂+ H₁cosθ₂ ---（１３）式（４）より、 F₁- f₂ = (E₁- E₂)cosθ₂- H₁sinθ₂ ---（１４）式（１３）、（１４）を式（１２）に代入すると、 {-G₂+(E₁-E₂)sinθ₂}L₂sinθ₂+(E₁-E₂)L₂cos²θ₂+ G₂L₂sinθ₂-(E₁-E₂)L₂ = 0 ---（１５）となり、自動的に成立する。

【００５０】すなわち、上記式（１）〜（４）のうちの
一つの式は独立ではない。同様に、上記式（５）〜
（８）のうちの一つの式も独立ではない。

【００５１】したがって、独立な方程式の数は、式
（９）〜（１５）の７個と、（１）〜（４）のうちの１
個と、（５）〜（８）のうちの１個との、合計９個であ
る。

【００５２】変数は、下肢に外部からかかっている力で
あるＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｒ_１、
Ｒ_２、ｍ_１の９個、支援装置からの力であるＥ_１、
Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４、Ｈ_１の５個、下肢が自分で発生させ
ている力およびモーメントであるｍ_２、ｍ_３、ｆ_２、ｆ
_３、ｒ_２、ｒ_３の６個の合計２０個である。

【００５３】このうち、Ｇ_１、Ｆ_１、ｍ_１の三個は上半
身の姿勢や持っている荷物の重量、腕で発生させている
力などによって変化する。

【００５４】また、例えば、歩いている時には交互に片
足を持ち上げることになり、地面についている足には上
半身の重量や加速度が、全てかかる一方で、他方の足に
は上半身の力はかからない。

【００５５】持ち上げているほうの足のモーメント
ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３は自分の重量や加速度による力を支え
るのみとなる。

【００５６】このように、これらの変数は、たえず変化
し、予測や、直接に測定することはできない。

【００５７】また、ｍ_２、ｍ_３、ｆ_２、ｆ_３、ｒ_２、ｒ
_３は体内で発生している力であり通常の方法では測定で
きない。

【００５８】一方、Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４はあまり変化しな
い量であり、予め近似値は分かっている。また、Ｆ_２、
Ｒ_１、Ｒ_２の３個は何らかの計測方法により測定が可能
と考えられる。

【００５９】これに対して、動作支援装置からの力は測
定可能である。さらに、各ビームの鉛直方向（あるいは
重力と他の加速度を合わせた加速度方向）からの角度θ
_２、θ_３、θ_４は支援装置に計測装置をつけることによ
り測定可能である。

【００６０】したがって、これらの測定値および予め分
かっている変数と、上記の９個の独立な方程式を用いて
未知の９個の変数を求める事ができる。以下、その変数
を求める方法ついて述べる。

【００６１】３．解法（Ａ）足が地面に着いている場合［１］現象のシミュレーション（Ｆ_１、Ｇ_１、ｍ_１が既
知の場合）上記式（３）によりｒ_２が求まる。

【００６２】そして、上記式（４）により次式（１６）
を得る。 f₂ = F₁- (E₁- E₂）cosθ₂+ H₁sinθ₂ ---（１６）次に、上記式（７）に式（３）を代入すると、次式（１
７）のようにｒ_３を計算することができる。

【００６３】 r₃ = G₁+G₂- (E₁ -E₂）sinθ₂-H₁cosθ₂ +G₃+(E₃ -E₄）sinθ₃ ---（１７）そして、上記式（８）に式（１６）を代入して次式（１
８）を得る。

【００６４】 f₃ = F₁- (E₁- E₂）cosθ₂+ H₁sinθ₂ - (E₃- E₄）cosθ₃ ---（１８）式（１０）にｓｉｎθ_４を掛け、上記式（１１）にｃｏ
ｓθ_４を掛けて両辺の引き算を行うと次式（１９）のよ
うになる。

【００６５】 F₂ = (r₃ + G₄)sinθ₄+ f₃cosθ₄ ---（１９）また、上記式（１）より、ｍ_２は次式（２０）で与えら
れる。

【００６６】 m₂ = G₁L₂sinθ₂+F₁L₂cosθ₂+(1/2)G₂L₂sinθ₂-E₁L₂ -m₁ ---（２０）また、ｍ_３は式（５）より次式（２１）のようになる。

【００６７】 m₃ = -r₂L₃sinθ₃+f₂L₃cosθ₃-(1/2)G₃L₃sinθ₃-E₃L₃ +m_２ ---（２１）また、上記式（９）より次式（２２）を得ることができ
る。

【００６８】 R₁ = -(m₃/L₄)+(1/2)G₄cosθ₄ ---（２２）また、上記式（１０）にｃｏｓθ_４を掛け、式（１１）
にｓｉｎθ_４を掛けて両辺の加算を行い、式（２２）を
代入すると次式（２３）のようになる。

【００６９】 R₂ = r₃ cosθ₄ -f₃sinθ₄ +(m₃/L₄)+(1/2)G₄cosθ₄ ---（２３）［２］測定値よりＧ_１、Ｆ_１、ｍ_１を求める方法まず、上記式（１１）よりｆ_３を求める。

【００７０】そして、上記式（１０）よりｒ_３を求める
次式（２４）を得る。

【００７１】 r₃ = (R₁ + R₂)cosθ₄ + F₂sinθ₄ -G₄ ---（２４）次に、式（９）よりｍ_３を求める次式（２５）を得る。

【００７２】 m₃ = -R₁L₄+(1/2)G₄L₄cosθ₄ ---（２５）式（８）に式（１１）を代入すると次式（２６）のよう
になる。

【００７３】 f₂ = -(R₁ + R₂)sinθ₄+ F₂cosθ₄ +(E₃- E₄)cosθ₃ ---（２６）また、式（７）に式（１０）を代入すると次式（２７）
を得る。

【００７４】 r₂ = (R₁ + R₂)cosθ₄+ F₂sinθ₄ -G₃-(E₃- E₄)sinθ₃-G₄ ---（２７）上記式（５）に式（９）、（２６）、（２７）を代入す
ると次式（２８）のようになる。

【００７５】 m_２ = -R₁L₄+(1/2)G₄L₄cosθ₄+(R₁ + R₂) L₃sin(θ₄+θ₃)-F₂L₃cos(θ₄+θ₃)+ E₄L₃-(1/2)G₃L₃sinθ₃- G₄L₃sinθ₃ ---（２８）また、上記式（４）に式（２６）を代入して次式（２
９）を得る。

【００７６】 F₁ = -(R₁ + R₂)sinθ₄+ F₂cosθ₄ +(E₃- E₄)cosθ₃ +(E₁- E₂)cosθ₂- H₁sin θ₂ ---（２９）そして、式（３）に式（２７）を代入して次式（３０）
を得る。

【００７７】 r₂ = (R₁ + R₂)cosθ₄+ F₂sinθ₄ -G₃-(E₃- E₄)sinθ₃-G₄ ---（３０）また、式（１）より次式（３１）を得る。

【００７８】 m₁ = -m₂+G₁L₂sinθ₂+F₁L₂cosθ₂+(1/2)G₂L₂sinθ₂-E₁L₂ ---（３１）計測されたＲ_１、Ｒ_２、Ｆ_２に対する上半身から下肢に
かかる力Ｆ_１、Ｇ_１とモーメントｍ_１は上記式（２８）
〜（３１）により計算できる。

【００７９】［３］必要な外力の計算実際に制御できるのは支援装置の膝部関節と足首部関節
のモーメントのみであるので制御の自由度は２である。
足の裏に重量がかかっている時に負担がかかるのも人体
の膝と足首であるので、ここでは、まず膝の発生するモ
ーメントｍ^＊ _２、足首のモーメントｍ_３をそれぞれ所定
の値ｍ^＊ _２、ｍ^＊ _３にする条件を考える。

【００８０】膝と足首の力を緩和するにはＥ_２とＥ_４と
は影響がないので制御すべき変数はＥ_１とＥ_３のみとな
る。

【００８１】上記式（１）より次式（３２）を得る。

【００８２】 E^* ₁= (G₁L₂sinθ₂+F₁L₂cosθ₂+(1/2)G₂L₂sinθ₂-m₁+m^* ₂)/L₂ ---（３２）また、上記式（３）と（４）とを上記式（５）に代入す
ると次式（３３）のようになる。

【００８３】 E^* ₃ =-{G₁+G₂+(1/2)G₃} sinθ₃-(E₁- E₂)cos(θ₂+θ₃)+H₁sin(θ₂+θ₃)+F₁cos θ₃+ {(m^* ₂-m^* ₃)/L₃} ---（３３）（Ｂ）足が地面から浮いている時支援装置の足の乗る部分と地面との間の力を計測するこ
とにより、これがゼロであれば足が地面から離れている
事が分かる。

【００８４】この場合、Ｇ_１およびｍ_１は上半身の条件
によって決まるのではなく下肢の状態や動作によってき
まる。また、Ｒ_１は計測量であるとともに足首にかかる
モーメントｍ_３を低減するための制御対象量になる。さ
らに、モーメントｍ_１も外力Ｅ_２により低減すべき制御
目標となる。

【００８５】［４］現象のシミュレーション（外力が既
知の場合）ｆ_３、ｒ_３、ｍ_３を、それぞれ、上記式（１１）、（２
４）、（２５）により求める。

【００８６】また、ｆ_２、ｒ_２、ｍ_２を、それぞれ上記
式（２６）、（２７）、（２８）により求める。

【００８７】また、Ｆ_１、Ｇ_１、ｍ_１を、それぞれ上記
式（２９）、（３０）、（３１）により求める。

【００８８】［５］必要な外力を求める方法上記式（９）より次式（３４）を得る。

【００８９】 R^* ₁ =(1/2)G₄cosθ₄-(m^* ₃/L₄) ---（３４）また、上記式（６）に上記式（１１）と（２４）とを代
入すると次式（３５）のようになる。

【００９０】 E^* ₄ =-{(m^* ₃-m^* ₂)/L₃}-(R₁+R₂)sin(θ₃+θ₄)+F₂cos(θ₃+θ₄)+{G₄+(1/2)G₃} s inθ₃ ---（３５）また、上記式（７）、（８）に上記式（１１）、（２
４）を代入すると次式（３６）、（３７）を得る。

【００９１】 f₂ =-(R₁+R₂)sinθ₄+F₂cosθ₄+(E₃-E₄) sinθ₃ ---（３６） r₂ =(R₁+R₂)cosθ₄+F₂sinθ₄-G₄-G₃-(E₃-E₄) sinθ₃ ---（３７）また、上記式（２）に上記式（３６）、（３７）を代入
すると次式（３８）のようになる。

【００９２】 E^* ₂ =(R₁+R₂)sin(θ₂-θ₄) +F₂cos(θ₂-θ₄)+(E₃- E₄)cos(θ₂+θ₃)-{(m^* ₁+m^* ₂ )/L₂}-{G₄+G₃+(1/2)G₂} sinθ₂ ---（３８）４．試算結果以下、上記式（１）〜（３８）を使って試算を行い、本
発明による動作支援装置の特性を検討する。試算の条件
を表２に示す。

【００９３】

【表２】

【００９４】上記表２のうち、Ｌ_１は単にモーメントｍ
_１を計算するためだけの量であり、実際の上半身の長さ
等を代表するものではない。

【００９５】以下の例では支援装置によって人体が自分
で発生する力を必要な値の半分にする場合について述べ
るが、必要な値の１０分の１にする場合でも、８０％に
する場合でもｍ^＊ _１、ｍ^＊ _２、ｍ^＊ _３をその比率で計算
しさえすれば、後述する方法により同様に求める事がで
きる。

【００９６】（１）外力がない場合上半身の重量（Ｇ_１）が５０ｋｇでその重量が片足にか
かっている場合であって、外力のない状態での試算例を
表３に示し、図４にその時の身体全体の姿勢を線図で示
している。

【００９７】

【表３】

【００９８】図４に示すように、膝は、それ程曲がって
おらず、上体は少し屈み気味となっている。この図４に
示す状態は、かがんで行く途中、あるいはかがんだ状態
から立ち上がろうとしている状態である。

【００９９】なお、表３の「実際」の欄には、上述した
方法によって求めた各部の力およびモーメントが示して
ある。

【０１００】足の裏の前側（Ｒ_１）には３６ｋｇ、後側
（Ｒ_２）には２５ｋｇの力がかかっている。この時の足
の上端、膝、足首が支持しているモーメントの値をそれ
ぞれｍ_１、ｍ_２、ｍ_３の欄に示す。

【０１０１】一方、表３中の「観測」の欄には計測値Ｅ
_１〜Ｆ_２から上記（Ａ）の［２］の方法で求めたＦ_１、
Ｇ_１、ｍ_１が示してある。言うまでもなく、これらの値
は「実際」の値と一致している。

【０１０２】また、「外力なし」の欄には「観測」で得
られたＦ_１、Ｇ_１、ｍ_１がかかっており、外力Ｅ_１〜Ｈ
_１がない時の膝および足首が発生すべきモーメントが示
してある。

【０１０３】そして、「制御」の欄には膝と足首のモー
メントを「外力なし」の時の半分にするために必要な外
力Ｅ_１〜Ｈ_１を上述した方法で求めた結果が示してあ
る。

【０１０４】もちろん両足に均等に力がかかっていると
きは両足ともこれらの半分の力、あるいはモーメントを
生じることになる。

【０１０５】（２）外力を加えた場合次に、「制御」で求められた外力を加えた時の結果を表
４に示す。

【０１０６】

【表４】

【０１０７】表４に示すように、膝と足首のモーメント
ｍ_２、ｍ_３は確かに元の半分になっている。また、足の
裏にかかる力Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ_２は外力の影響で変化して
いる。

【０１０８】特に、Ｒ_１が減少し、Ｒ_２が大きく増大し
ており、かかとに力がかかっている事が分かる。腰を斜
め上に持ち上げる力Ｅ_１は正の値、膝を斜め下に押す力
Ｅ_３はマイナスとなっており、腰と膝をそれぞれ斜め上
に持ち上げようとする力が働いている。

【０１０９】この結果、膝と足首にかかるモーメントが
減ったものである。

【０１１０】しかし、それらの計測値から計算した「観
測」欄のＦ_１、Ｇ_１、ｍ_１の値は元のままの正しい値に
なっており、それらを元に計算した「外力なし」「制
御」の計算値も変っていない。

【０１１１】これにより、外力が加わっている状態で
も、計測値から人体が発生している力を推測して必要な
外力を計算できる事が分かる。

【０１１２】（３）誤差の影響表４ではＥ_２、Ｅ_４、Ｈ_１はゼロとなっているが、実際
には外力Ｅ_１、Ｅ_３を発生する際、Ｅ_２、Ｅ_４、Ｈ_１に
も何らかの力が発生する。ただし、それらの力は支援装
置と人体との相互関係や人体の状態によって異なる。ま
た、各測定値や設定値には誤差が含まれるはずである。

【０１１３】そこで、それらを考慮した場合の例を表５
に示す。

【０１１４】

【表５】

【０１１５】表５においては、Ｅ_２、Ｅ_４、Ｈ_１のそれ
ぞれに１ｋｇｆ発生したと想定している。Ｇ_２、Ｇ_３、
Ｇ_４の設定値については、正しい値はそれぞれ５ｋｇ
ｆ、５ｋｇｆ、１ｋｇｆであるのに対し設定値を７ｋｇ
ｆ、４ｋｇｆ、１．５ｋｇｆとし、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ_２は
実際よりも１０％小さい値として測定されたとしてい
る。

【０１１６】この結果、表３に示した誤差のない場合に
比べて、ｍ_２、ｍ_３の絶対値はそれぞれ−７％、６．１
％変っているが外力なしの場合に比べては依然として半
分近くになっており、実用上差し支えない。

【０１１７】（４）制御に誤差がある場合（３）に示した誤差に加えて、「制御」で求められた外
力Ｅ_１、Ｅ_３を発生する際の計測値に誤差があり実際に
発生した力が必要な値より１０％小さかった場合の例を
表６に示す。

【０１１８】

【表６】

【０１１９】表６に示した例の場合、表４に示したの誤
差のない場合に比べて、ｍ_２、ｍ_３の絶対値はそれぞれ
−０．７％、１０．８％大きくなっている。

【０１２０】しかし、支援装置として筋肉の発生する力
を低減するという点からは十分な機能を有している。

【０１２１】（５）姿勢が変った場合表７は、もっと膝を曲げた場合の例、つまり図５に示す
ような姿勢の場合の例を示す。

【０１２２】

【表７】

【０１２３】図５に示す姿勢は、例えば、階段を上る時
の、これから伸ばそうとしている足に対応した姿勢にな
っている。

【０１２４】表７に示した場合の例は、表５の場合に比
べてモーメントｍ_２ははるかに大きくなっており膝に大
きい負担がかかることが分かる。しかし、支援装置によ
る外力がない場合に比べればはるかに緩和されている。
ただし、そのために必要な外力Ｅ_１、Ｅ_２もずっと大き
くなっている。

【０１２５】支援装置から体に加えるべき力の最大値も
このような大きく膝を曲げ、かつ許容できる最大限の重
量の荷物を持った状態を想定しておけば良い。

【０１２６】（６）足を上げた場合図６は足を上げたときの姿勢を示す図であり、表８に足
を上げた場合の各値を示す。

【０１２７】

【表８】

【０１２８】表８において、腰、膝、足首のモーメント
ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３を軽減するためそれぞれ外力Ｅ_２、Ｅ
_４、Ｒ_１が用いられている。

【０１２９】Ｅ_２は膝を下げる方向が正であるが、ここ
では、筋力を軽減するためには膝を持ち上げる力が必要
なため負になっている。

【０１３０】人体が発生しているモーメントｍ_１、
ｍ_２、ｍ_３は支援装置からの力が無い場合に比べて半分
になっており、装置からの支援の効果があることが分か
る。

【０１３１】（７）歩行している場合人が前向きに進んでいる時というのは、前向きに加速度
を発生している時であり、体の各部には後ろ向きの力が
かかる。表９にそのような場合の計算結果を示す。

【０１３２】

【表９】

【０１３３】表９に示した値は、姿勢は図４に示した姿
勢と同様であるが、上半身の重量５０ｋｇに対して重力
の１０％の加速度（０．１Ｇ）がかかり、Ｆ_１に５ｋｇ
ｆの力が生じているとして計算した例である。計測や制
御の誤差、下肢各部の重量設定値の誤差は表６と同様と
した。

【０１３４】支援装置から腰にかかる太腿に直交する力
Ｅ_１が、表６の１．２ｋｇｆに比べ、制御指示値で８ｋ
ｇｆ、誤差を含めた実現値で７．２ｋｇｆと大きく増え
ている。図４の姿勢から分かるとおり、Ｅ_１の一部は体
重を支えるためのものであるが、大部分は前向きに作用
するため、体を加速方向に押すことになり前向きの加速
を支援している。

【０１３５】一方、膝にかかる力Ｅ_３はあまり変わって
おらず、大部分が体重を支えるための力である。これは
上半身の重量を直接受けている腰に支援装置から直接前
向きの加速のための力がかかっている為である。

【０１３６】体に後ろ向きの力がかかった結果として、
脛と腿の角度を開く方向のモーメントｍ_２は表６に示し
た場合に比べ大きく増え、一方、足と脛との角度を狭め
る方向のモーメントｍ_３は大きい負の値であったものが
絶対値が減少している。

【０１３７】上体と腿との角度を開くためのモーメント
ｍ_１も後ろ向きの力の影響で半分以下に減少している。
表９でｍ_１の実際の値より観測値や外力なし欄の値がか
なり小さくなっているが、これは設定した各種計測、制
御、設定誤差のためである。

【０１３８】表１０にそれらすべての誤差を無くした場
合を示すが、実際と観測、外力なし、制御の各欄の数値
は一致している。

【０１３９】

【表１０】

【０１４０】以上のように、人が歩行している場合でも
上記の方法によって必要な支援装置からの力を算出で
き、それによって人体の発生する力をほぼ半減すること
が可能となっている。

【０１４１】以下、本発明の一実施形態である動作支援
装置を説明する。

【０１４２】図１において、人体１に装着された動作支
援装置２は、腰支持ベルト１０、エネルギー源（動力
源）兼制御ユニット３、上半身支持機構４、および歩行
支援機構を備える。

【０１４３】そして、歩行支援機構は、腰部モーメント
発生装置２０、大腿支持ビーム３０ａ及び３０ｂ、膝部
モーメント発生部４０ａ及び４０ｂ、脛支持ビーム５０
ａ及び５０ｂを備える。

【０１４４】さらに、歩行支援機構は、踝部モーメント
発生部６０ａ及び６０ｂ、足支持部７０、大腿上部装着
ベルト８０、大腿下部装着ベルト９０、脛上部装着ベル
ト１００、足首装着ベルト１１０、足先装着ベルト１２
０を備える。

【０１４５】歩行支援機構に備えられた各構成部のう
ち、左右両足分は、左右対称に装備されているものとす
る。

【０１４６】また、腰部モーメント発生装置２０は、腰
支持ベルト１０と大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂとを繋
ぐとともに足が地面についているときは上半身の重量を
支持し、足を上げているときにはその足を持ち上げるた
めのモーメントを発生する。

【０１４７】また、この腰支持ベルト１０と大腿支持ビ
ーム３０ａ、３０ｂとの接続部分は、足や脚を開いたり
閉じたりする方向には自由に曲がるものとする。

【０１４８】また、膝部モーメント発生部４０ａ、４０
ｂは、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂと脛支持ビーム５
０ａ、５０ｂとを繋ぐとともに膝を曲げたり伸ばした
り、それによって太腿や腰、上半身を上げたり下げたり
する筋力を支援するモーメントを発生する。

【０１４９】また、踝部モーメント発生部６０ａ、６０
ｂは、脛支持ビーム５０ａ、５０ｂと足支持部７０を繋
ぐとともに、足首を曲げたり伸ばしたり、あるいは足が
地面についているときには膝を持ち上げる筋力を支援す
るモーメントを発生する。

【０１５０】大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂ、脛支持ビ
ーム５０ａ、５０ｂ、足支持部７０は、それぞれ重力加
速度を含む立っている場所の加速度の方向と、それらの
ビームないし板の方向のなす角度、すなわち、図２のθ
_２、θ_３、θ_４を検出するセンサーを有している。

【０１５１】足支持部７０は、足を支持するとともに足
から足支持部７０にかかる力及びそのモーメントを測定
するセンサーを有するものとする。

【０１５２】すなわち、足支持部７０は、図３に示す、
足に加えられる力Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ_２に相当する量あるい
はそれらを計算により求める事のできる量を測定するセ
ンサーを有する。

【０１５３】また、足支持部７０は、地面と足支持部７
０との間の力及びそのモーメントを測定するセンサーも
有する。

【０１５４】これにより、足が地面についているかどう
かを判定するだけでなく、支援装置自体の重量やそれに
よるモーメントを計測することができる。

【０１５５】また、大腿上部装着ベルト８０、大腿下部
装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００、足首装着ベ
ルト１１０、足先装着ベルト１２０は、それぞれ、各ビ
ームの端部近辺の部位と人体とを接続し、人体とビーム
との間で力を伝えるとともに、それらの力、すなわち、
図３に示す力Ｈ_１、Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４（Ｈ_１はビ
ームと水平方向に働く力、Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４はビ
ームと垂直方向に働く力）を測定するセンサーを有す
る。

【０１５６】大腿上部装着ベルト８０に伝達される力は
腰を持ち上げることによって膝の筋肉の発生するモーメ
ントを緩和するが、その位置が膝から離れているほど小
さい力で同じモーメントを発生できる。

【０１５７】人体と本発明による動作支援装置との間の
力は、なるべく小さいほうが人体の局所に負担がかから
ないため、大腿上部装着ベルト８０は大腿の上端に設置
できるような構造、寸法になっている事が望ましい。

【０１５８】同様に、大腿下部装着ベルト９０、脛上部
装着ベルト１００は、いずれもなるべく膝に近い位置に
装着できる事が望ましい。また、足首装着ベルト１１０
は、足首に近い位置に装着できる事が望ましい。

【０１５９】エネルギー源兼制御ユニット３は、歩行支
援機構による計測値θ_２、θ_３、θ _４、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ
_２、Ｈ_１、Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４および設定値Ｇ_２、
Ｇ_３、Ｇ_４から人体の負担を軽減するのに必要な力
Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４を計算し、膝部モーメント発生
部４０ａ、４０ｂおよび踝部モーメント発生部６０ａ、
６０ｂの動作制御を行う。

【０１６０】モーメント発生部の構造の例を図７に示
す。この図７に示す例は、腰支持ベルト１０に付けられ
た腰部モーメント発生部２０に関するものであるが、他
の膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂ及び踝部モーメ
ント発生部６０ａ、６０ｂでも同様の構造でモーメント
を発生することができる。

【０１６１】図７の（Ａ）に示すように、腰支持ベルト
１０上に設置された軸受け１１と軸１３で結合された台
座１２の上にガイドリング２１、軸受け２３、バー２４
が設置されている。ここで、人体の脚が開く向きを自由
に変えられるように台座１２は軸１３のまわりで角度を
変えられるようにしてある。

【０１６２】大腿支持ビーム３０ａのモーメント発生部
２０と繋がる部分は、図７（Ｂ）に示すように、ガイド
パネル２２と、軸２５と、バー２６とを備える。ガイド
パネル２２は円環状に溝２７を有しており、この溝２７
にガイドリング２１が挿入されるようになっている。

【０１６３】また、軸２５は、軸受け２３に挿入され、
ガイドリング２１とガイドパネル２３とは相互に回転で
きるようになっている。

【０１６４】図７の（Ｃ）に断面図を示すように、溝２
７にガイドリング２１を挿入したときにできる円環状空
間には２つのベロー２８が納められ、各ベロー２８の両
端は各バー２４、２６に接合されている。

【０１６５】また、これらのバー２４、２６には、各ベ
ロー２８にガスを送り、あるいはガスを抜く通路が設置
してあり、それ以外は気密構造になっている。

【０１６６】いずれか一方のベロー２８にガスを送り、
他方のベロー２８に充満するガスを抜くことでモーメン
トを発生することができる。圧力の差はほぼモーメント
に比例するため、制御は比較的容易である。

【０１６７】図８は、発生させるモーメントを制御する
ための制御系統の一例を示す図である。図８において、
ベロー２８ａとベロー２８ｂは、圧力源１３１からガス
加熱器１３６を経由して加圧管１３４ａおよび１３４ｂ
が、それぞれバー２４あるいは２６を通してつながって
いる。

【０１６８】圧力源１３１としては、炭酸ガスや窒素ガ
スなどの高圧ガスボンベ、コンプレッサなどが考えられ
る。特に、常温で高圧にする事によって液化するガスは
圧力源の容積が小さくて済み望ましい。

【０１６９】ただし、気化やそのあとの膨張によって温
度が下がるため、加熱器１３６によってガス温度を常温
以上に加熱し、ガス体積を膨張させる事によって作動に
要するガスの量を節約できる。

【０１７０】加圧管１３４ａ及び１３４ｂの途中には電
動制御弁１３２ａ及び１３２ｂが設置されている。ま
た、電動制御弁１３２ａ及び１３２ｂと、ベロー２８ａ
及び２８ｂとの間には、ガス放出管１３３ａ及び１３３
ｂがつなげられ、それぞれの放出管１３３ａ、１３３ｂ
には電動制御弁１３１ａ及び１３１ｂが設置されてい
る。

【０１７１】電動制御弁１３１ａと１３２ｂとは、制御
信号１３５ａで、電動制御弁１３１ｂと１３２ａは制御
信号１３５ｂで制御されるものとする。

【０１７２】制御信号１３５ａに弁を閉じる信号が供給
されると、電動制御弁１３１ａと１３２ｂが閉じ、ベロ
ー２８ａからはガスが抜けなくなり、ベロー２８ｂには
高圧ガスが供給されなくなる。

【０１７３】同時に、制御信号１３５ｂにより、電動制
御弁１３１ｂと１３２ａに、これらの弁を開ける信号が
供給されると、ベロー２８ａに高圧ガスが供給され、ベ
ロー２８ｂからはガスが抜ける。

【０１７４】これによって、ベロー２８ａは高圧に、ベ
ロー２８ｂは大気圧になり、モーメントが発生する。

【０１７５】逆のモーメントを発生させたいときは制御
信号を逆に送ればよい。つまり、弁１３２ｂ、１３１ａ
を開とし、１３２ａ、１３１ｂを閉とする制御信号を供
給されば、逆のモーメントを発生することができる。

【０１７６】図９は、大腿上部装着ベルト８０の概略構
造の一例を示す図である。この図９は大腿上部装着ベル
ト８０の構造例であるが、他の装着ベルトも同様の構造
で実現することができる。

【０１７７】図９において、大腿支持ビーム３０ａ、３
０ｂには張力検出器８３ａ、８３ｂ、８３ｃ、８３ｄが
取り付けられ、その張力検出端にはそれぞれベルト８１
ａ、８２ａ、８１ｂ、８２ｂが取り付けられている。

【０１７８】ベルト８１ａと８２ａ、ベルト８１ｂと８
２ｂは、それぞれ、締め金具８４によって長さを自由に
変えて、互いに締め付け固定することができる。ベルト
８１ａと８２ａ、ベルト８１ｂと８２ｂの内側には、人
体保護のためのパッド８５が設置され、人体と動作支援
装置とはこれらのパッド８５を通してのみ力を伝え合う
ようになっている。

【０１７９】張力検出器８３ａ、８３ｂ、８３ｃ、８３
ｄは、いずれも図９中の大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂ
の断面の長手方向に平行な張力と断面図の紙面に直交す
る方向の張力とを検出するようになっている。

【０１８０】大腿上端にかかる力Ｅ_１（図３に示す）
は、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂの断面の長手方向に
平行な張力の差し引きで求める事ができる。また、大腿
支持ビーム３０ａ、３０ｂに平行な力Ｈ_１は図９の紙面
に直交する方向の力の総和として求められる。

【０１８１】図１０は大腿支持ビーム３０ａの構造の一
例を示す図である。他の支持ビームも、この大腿支持ビ
ーム３０ａと同様の構造となっている。

【０１８２】図１０において、外筒３１と内筒３２と
は、アルミニウムあるいはマグネシウム等の軽金属、な
いしは繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰ）等、あるい
はそれらを組合せた複合材料でできた扁平管の形状をし
ており、重量に比べ曲げ強度を持たせてある。

【０１８３】内筒３２は、外筒３１に抜き差しできるよ
うになっており、外筒３１の内側には隔壁３４が形成さ
れ、内筒３２の内側には隔壁３５が形成されている。隔
壁３４には調節ナット３９が取り付けてあり、外筒３１
の外側から調節ナット３９を回せるように構成されてい
る。

【０１８４】調節ナット３９には支持軸３３の一方端側
に形成されたねじ部分３８が挿入されている。そして、
支持軸３３の他方端側にはストッパー３７ａ及び３７ｂ
が形成されており、ストッパー３７ａと隔壁３５との間
にはばね３６ａが配置されている。

【０１８５】また、ストッパー３７ｂと隔壁３５との間
にはばね３６ｂが配置されている。支持軸３３は図示し
ていないがキー溝等の方法で調節ナット３９を回しても
一緒に回転しないようにしてあるものとする。

【０１８６】このように大腿支持ビーム３０ａが構成さ
れているため、大腿部の長さが違う人間が大腿支持ビー
ム３０ａを装着する際、調節ナット３９を回す事によっ
て大腿支持ビーム３０ａの長さを調節する事ができる。

【０１８７】また、ばね３６ａと３６ｂは、自由状態に
対しあらかじめある程度縮めてあり、外筒３１と内筒３
２の抜き差しに対し所定の抵抗を発生するようにしてあ
る。

【０１８８】これらのばね３６ａと３６ｂにより人体の
姿勢が変わったときに大腿支持ビーム３０ａの若干の伸
び縮みを許容することができる。

【０１８９】望ましくは、ねじ等によりストッパー３７
ａと３７ｂとの間隔も変えられるように構成すれば、外
筒３１と内筒３２との抜き差し、すなわち大腿支持ビー
ム３０ａの伸び縮みに対する抵抗を変えることもでき
る。

【０１９０】なお、各支持ビームの中には計測器からの
信号を伝える電線やモーメント発生部にガスを送る配管
も通してあり、抜き差しによって支持ビームの長さが変
わっても許容できる余裕を持たせてあるものとする。

【０１９１】図１１は足支持部７０の一例における構造
外観図である。図１１において、足を乗せる部分は足載
せ板７２と、基盤７３と、接地版７４との３層構成とな
っており、それぞれの間には後述する荷重センサーが設
置されている。

【０１９２】また、基盤７４には足の両側に接続版７１
が繋がっており、これら接続版７１は、踝部モーメント
発生部６０ａ、６０ｂを介して、脛支持ビーム５０ａ、
５０ｂに接続されている。また、基盤７４の足先に近い
位置には足先装着ベルト１２０が接続されている。

【０１９３】基盤７４と足先装着ベルト１２０との接続
部には、図９に示した大腿上部装着ベルト８０と同様
に、張力を検出する張力検出器７９ａ及び７９ｂが設置
されている。

【０１９４】足載せ板７２と基盤７３との間、基盤７３
と間接地版７４との間には、図１２に示すように荷重セ
ンサー７５ａ、７５ｂ、７６ａ、７６ｂが設置されてい
る。これらの荷重センサー７５ａ、７５ｂ、７６ａ、７
６ｂは、足載せ板７２と基盤７３との間、基盤７３と接
地版７４との間で押し付ける力だけでなく、負の押し付
け力すなわち張力やそれらの板に平行な剪断力も検出で
きる構造とする。

【０１９５】足先装着ベルト１２０と荷重センサー７５
ａの取り付け位置を一致させておくことにより足先の力
Ｒ_１（図３に示す）は、張力検出器７９ａ及び７９ｂの
張力検出値の和と荷重センサー７５ａの押し付け力計測
値の差し引きで求めることができる。

【０１９６】これにより、足先装着ベルト１２０を締め
付ける力は相殺され、体重や荷重を支えている力Ｒ_１の
みを求ねることができる。また、踵部にかかる力Ｒ
_２（図３に示す）は、荷重センサー７５ｂの押し付け力
により得られる。

【０１９７】また、足の裏に平行な力Ｆ_２（図３に示
す）は荷重センサー７５ａ、７５ｂの剪断力計測値の和
により計算することができる。

【０１９８】また、図２で定義した力Ｒ_１とＲ_２がかか
る点の間の距離Ｌ_４は荷重センサー７５ａ、７５ｂのそ
れぞれの中心点の間の距離を使う。

【０１９９】足が地面から離れているか否かは、荷重セ
ンサー７６ａの計測値とセンサー７６ｂの計測値との和
がゼロかどうかで求めることができる。また、足が地面
から離れているか否かのもう一つの方法としては、上記
方法で求めたＲ_１とＲ_２との和がゼロか否かで判定する
事もできる。

【０２００】実際にはこれらの計測値には誤差があるた
め、判定にあたっては、あるゼロではない基準値を設定
しておき、その値より小さいか否かで判定する。

【０２０１】図１３は、歩行支援機構の動作制御フロー
チャートである。図１３のステップＳ１において、各部
の長さＬ_２、Ｌ_３、Ｌ_４および重量Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４、
力軽減率ｆを設定する。各部の長さＬ_２、Ｌ_３、Ｌ_４に
ついては各支持ビームが長さ調節でき、且つ若干は伸び
縮みできることから自動検出機能をつけて、長さ調節
時、あるいは使用時に自動検出したビーム長さの寸法値
を使っても良い。

【０２０２】例えば、隔壁３４と３５との間の距離を検
出することによって各部の長さＬ_２、Ｌ_３、Ｌ_４を検出
するように構成することも可能である。

【０２０３】次に、ステップＳ２において、各部のセン
サーの読みから上述したような方法で、Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ
_３、Ｈ_１、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ_２、θ_１、θ_２、θ_３、θ_４
を計算する。

【０２０４】次に、ステップＳ３において、Ｒ_１＋Ｒ_２
があらかじめ設定した値よりも大きいか否かを判定し、
大きければ足が地面についていると判定し、ステップＳ
４に進む。

【０２０５】そして、ステップＳ４において、上記式
（２９）、（３０）、（３１）によりＦ_１、Ｇ_１、ｍ_１
を計算する。

【０２０６】次に、ステップＳ５において、Ｅ_１、Ｅ_３
をゼロとして上記式（２０）、（２１）よりｍ_２、ｍ_３
を計算し、ステップＳ６において、ｍ_２、ｍ_３に力軽減
率ｆを掛けて目標モーメントｍ^＊ _２、ｍ^＊ _３を計算す
る。

【０２０７】ステップＳ７において、上記ステップの計
算結果を使って、Ｅ_１、Ｅ_３の制御目標Ｅ^＊ _１、Ｅ^＊ _３
を計算し、ステップＳ８において、Ｅ_１、Ｅ_３が制御目
標Ｅ ^＊ _１、Ｅ^＊ _３になるようにモーメント発生装置４０
ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂを制御する。そして、処理
はステップＳ２に戻る。

【０２０８】なお、一本の足の両側にあるモーメント発
生部は基本的に同じモーメントを発生するのが望まし
い。そのためにはガス圧で駆動する場合、対応するベロ
ーのガス圧を同じにするか、あるいは対応するベローど
うしの間に連通する管を設け、圧力を同じにしておけば
よい。これは次に述べる足をあげている場合でも共通で
ある。

【０２０９】一方、ステップＳ３において、Ｒ_１＋Ｒ_２
があらかじめ設定した値よりも以下の値の場合には、ス
テップＳ９に進み、Ｒ_１、Ｅ_２、Ｅ_４をゼロとして上記
式（２５）、（２８）、（３１）よりｍ_３、ｍ_２、ｍ_１
を計算する。そして、ステップＳ１０において、ｍ_３、
ｍ_２、ｍ_１に力軽減率ｆを掛けて目標モーメント
ｍ^＊ _３、ｍ^＊ _２、ｍ^＊ _１を算出する。

【０２１０】次に、ステップＳ１１において、上記ステ
ップで算出した結果を使って、上記式（３４）、（３
５）、（３８）によりＲ_１、Ｅ_４、Ｅ_２の制御目標Ｒ^＊
_１、Ｅ ^＊ _４、Ｅ^＊ _２を計算する。

【０２１１】そして、ステップＳ１２において、Ｒ_１、
Ｅ_４、Ｅ_２が制御目標Ｒ^＊ _１、Ｅ^＊ _４、Ｅ^＊ _２と一致す
るように、モーメント発生部２０、４０ａ、４０ｂ、６
０ａ、６０ｂを制御する。そして、処理はステップＳ２
に戻る。

【０２１２】以上のように、本発明の一実施形態である
動作支援装置によれば、人体の腰部に装着される腰支持
ベルト１０に取り付けられ、人体腰部の両側面側に、そ
れぞれ、配置される２つの腰部モーメント発生部２０
と、人体の両脚部の膝の両側面側に配置される膝部モー
メント発生部４０ａ、４０ｂと、腰部モーメント発生部
２０と膝の外側に配置される膝部モーメント発生部４０
ａとを接続する外側大腿支持ビーム３０ａと、この大腿
支持ビーム３０ａを人体の大腿に固定する大腿上部下部
支持ベルト８０及び９０と、これら大腿上部下部支持ベ
ルト８０及び９０と膝の内側に配置される膝部モーメン
ト発生部４０ｂとを接続する内側大腿支持ビーム３０ｂ
と、人体の両脚部の踝の両側面側に配置される踝部モー
メント発生部６０ａ、６０ｂと、膝部モーメント発生部
４０ａ及び４０ｂと踝部モーメント発生部６０ａ、６０
ｂとを接続する脛支持ビーム５０ａ及び５０ｂと、これ
ら脛支持ビーム５０ａ及び５０ｂを人体の脛部に固定す
る脛上装着ベルト１００及び足首装着ベルト１１０と、
人体の足裏を支持する足支持部７０と、この足支持部７
０と踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂとを接続する
接続版７１と、足支持部７０と人体の足先とを接続する
足先装着ベルト１２０と、腰部モーメント発生部２０、
膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂ、踝部モーメント
発生部６０ａ、６０ｂに発生するモーメント、加速度、
回転角度を検出するセンサと、足支持部７０に加わる荷
重を検出するセンサと、これらの検出センサからの検出
信号に基づいて、腰部モーメント発生部２０、膝部モー
メント発生部４０ａ、４０ｂ、踝部モーメント発生部６
０ａ、６０ｂの各部に一定の軽減率ｆで人体の動作を支
援するために、それぞれ発生すべき、動作支援力を演算
し、その動作支援のためのエネルギーを、上記各モーメ
ント発生部に供給するエネルギー源兼制御ユニット３
と、を備えている。

【０２１３】つまり、エネルギー源兼制御ユニット３
は、モーメント発生部２０、４０ａ、４０ｂ、６０ａ、
６０ｂからの支援力が人体に加えられていないときに人
体各部が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の軽
減率ｆを掛けた支援力を上記モーメント発生部２０、４
０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂに発生させる。

【０２１４】したがって、人体に対する全荷重を概略所
定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を
軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現するこ
とができる。

【０２１５】なお、上述した例では制御目標を本発明に
よる動作支援装置から体にかかる力にして説明したが、
基本概念等で説明したようなモデルを動作支援装置に対
して設定して、必要なモーメントを直接計算して制御し
てもかまわない。

【０２１６】本発明による動作支援装置そのものも、図
２あるいは図３に示すようなビームの集合体としてモデ
ル化でき、ほとんど同じ式の導出によって解くことがで
きる。

【０２１７】また、上述した例においては、制御目標を
計算する際、あらかじめ定めた一定の比率で人体が発生
するモーメントを軽減することとしたが、この比率は常
に一定である必要はなく、例えば、人体が負担すべき荷
重の上限をあらかじめ定めておき、それを超えないよう
目標のモーメントを定める事もできる。

【０２１８】あるいは、本発明による動作支援装置から
の力がないと仮定した場合に必要なモーメントが大きく
なるほど軽減割合を小さくするような関数とする事もで
きる。

【０２１９】また、本発明による動作支援装置の強度や
動力が対応できない限界値をあらかじめ定めて置き、荷
重が大きくなりすぎてそれらの限界を超えそうになった
ときは警報を出す機構や、動力源が残り少なくなったと
きにも警報を発生する機構をつけることもできる。

【０２２０】さらに、動作支援装置の動力がなくなった
ときにすべての荷重を人体が引き受けた結果、人体が急
激につぶれないように、動力がなくなったときにはガス
の抜ける通路を絞り、ガスがゆっくりと抜けるような機
構があれば人体が損傷を受けるのを防止できる。

【０２２１】また、本発明の一実施形態では大腿部や脛
部に沿ってビーム状の構造物を配置しており、各足の両
側に１本ずつ配置するように構成したが、このようなビ
ームに代えて、脚部や足の周囲を一部又は全部覆うよう
な管状の構造としても差し支えない。

【０２２２】この場合、大腿上部装着ベルト８０、大腿
下部装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００、足首装
着ベルト１１０、足先装着ベルト１２０等はそれら管内
に納められ人体と本発明による動作支援装置との間で力
を伝えるとともにそれらの力を計測する機能があればよ
く、必ずしもベルト状である必要はない。

【０２２３】また、ビーム状の構造を使った場合でも脚
部や足の周囲を何らかの殻ないしは皮膜、布等で覆って
も良い。

【０２２４】上述したような管状の構造物や殻、皮膜、
布等で覆う場合、それらの内側の空気の温度を調節する
機能を付加するように構成すれば、冷暖房を人体の周り
のみに限定して行う事ができる。

【０２２５】従来、個人用冷暖房としては懐炉等があっ
たが、人体の周囲を覆って体の周囲の空気の温度を調節
するものは実用化されていない。

【０２２６】これは、人体の周りを覆う設備や、空気温
度を調節する装置、温度調節された空気を循環する装置
等の重量、容積が大きくなり、個人で持って歩く事がで
きないためであったが、本発明による動作支援装置によ
って、そうした重量を携行するための支援力を人体に付
与することができれば、冷房装置等を個々人に対して設
置可能となり、広い空間全体を冷暖房するのに比べて省
エネルギーになるとともに、そうした冷暖房されていな
い環境でも快適に過ごせ、作業等も容易に行うことがで
きる。

【０２２７】また、圧縮、液化したガスボンベを動力源
に使っている場合、ガスが気化、膨張する際の冷熱や、
ガス圧を維持するための熱を上記冷暖房の熱源ないし冷
熱源として使う事もでき、省エネルギーの観点からは利
点が大きい。

【０２２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、手や
肩等の上半身で保持している荷物や、押したり引いたり
している物等によって発生する力を含めた、人体に対す
る全荷重を概略所定の割合で人体と支援装置とが負担し
て、人体の負荷を軽減し、自然な動作が可能な動作支援
装置を実現することができる。

【０２２９】つまり、動作支援装置からの支援力が人体
に加えられていないときに人体各部が発生すべき力を演
算し、演算した力に一定の軽減率ｆを掛けた支援力を動
作支援装置に発生させるように構成した。

【０２３０】したがって、人体の姿勢にかかわらず、ま
た、上半身のどこでどういう荷重を支持しているかにか
かわらず、下肢部の負担の大きい筋肉の負担を概略所定
の割合で軽減できる動作支援装置を実現でき、人体の自
然な動作を妨害することなく負担を軽減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本概念を示す概念図である。

【図２】人体の数学モデルを示す図である。

【図３】図２に示した数学モデルに加えられる力を定義
する図である。

【図４】試算例における人体の姿勢を示す図である。

【図５】脚を大きく曲げた例の人体の姿勢を示す図であ
る。

【図６】足を持ち上げたときの人体の姿勢を示す図であ
る。

【図７】モーメント発生部の構造の一例を示す図であ
る。

【図８】モーメント発生部の制御システムの構成例を示
す図である。

【図９】装着ベルト構造の一例を示す図である。

【図１０】支持ビームの長さ調節機構の一例を示す図で
ある。

【図１１】足支持部の外観構成図である。

【図１２】足支持部の構成を示す断面図である。

【図１３】本発明の一実施形態である歩行支援機構の動
作制御フローチャートである。

【符号の説明】

１人体２動作支援装置３エネルギー源兼制御ユニット４上半身支持機構１０腰支持ベルト１１軸受け１２台座１３軸２０腰部モーメント発生部２１ガイドリング２２ガイドパネル２３軸受け２４、２６バー２５軸２７溝２８ａ、２８ｂベロー３０ａ、３０ｂ大腿支持ビーム３１外筒３２内筒３３支持軸３４、３５隔壁３６ａ、３６ｂばね３７ａ、３７ｂストッパー３８ねじ部分３９調節ナット４０ａ、４０ｂ膝部モーメント発生部５０ａ、５０ｂ脛支持ビーム６０ａ、６０ｂ踝部モーメント発生部７０足支持部７２足載せ板７３基盤７４接地版７１接続版７５ａ、７５ｂ荷重センサー７６ａ、７６ｂ荷重センサー７９ａ、７９ｂ張力検出器８０大腿上部装着ベルト８１ａ、８２ａベルト８１ｂ、８２ｂベルト８３ａ、８３ｂ張力検出器８３ｃ、８３ｄ張力検出器８４締め金具８５パッド９０大腿下部装着ベルト１００脛上部装着ベルト１１０足首装着ベルト１２０足先装着ベルト１３１ａ、１３１ｂ電動制御弁１３２ａ、１３２ｂ電動制御弁１３３ａ、１３３ｂ放出管１３６加熱器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】人体の大腿部に沿って配置される大腿部支
持部材と、人体の脛部に沿って配置される脛部支持部材と、人体の足に沿って配置される足支持部材と、人体の膝近辺に配置され、上記大腿部支持部材と脛部支
持部材とに接続され、上記大腿部支持部材と脛部支持部
材との互いの曲げモーメントを発生する膝モーメント発
生部と、人体の踝近辺に配置され、上記脛部支持部材と足支持部
材とに接続され、上記脛部支持部材と足支持部材との互
いの曲げモーメントを発生する踝モーメント発生部と、上記膝モーメント発生部及び踝モーメント発生部によ
り、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材
に発生した力を人体の下肢の複数箇所に伝達する力伝達
手段と、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材と人
体の下肢との間に発生する力を検出する力センサと、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材の長
手方向と、重力を含む人体にかかる加速度の方向の成す
角度を検出する角度センサと、上記力センサ及び角度センサからの検出信号に基づい
て、人体の動作に対し、上記大腿部支持部材、脛部支持
部材及び足支持部材支持部材からの支援力がないときに
人体が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の比率
を掛けた支援力を算出し、算出した支援力を発生するよ
うに、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発
生部に動力を供給する動力源兼制御部と、を備え、人体の動作を支援する力を発生することを特徴
とする動作支援装置。
【請求項２】請求項１記載の動作支援装置において、上
記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、そ
れぞれ、長さ方向の寸法を変更する寸法変更手段を有す
ることを特徴とする動作支援装置。
【請求項３】請求項１記載の動作支援装置において、上
記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、そ
れぞれ、長さ方向の寸法を計測する長さ計測手段を有
し、この長さ計測手段により計測された寸法に基づい
て、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発生
するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメン
ト発生部に動力を供給することを特徴とする動作支援装
置。
【請求項４】請求項１、２又は３のうちのいずれか一項
記載の動作支援装置において、大腿部、脛部、足の少な
くとも一つの重量が設定され、その設定された重量に基
づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を
発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モー
メント発生部に動力を供給することを特徴とする動作支
援装置。
【請求項５】請求項１記載の動作支援装置において、上
記力伝達手段は、上記大腿部支持部材を、人体の太腿上
下部分に固定する第１の固定部材と、上記脛部支持部材
を人体の脛上下部分に固定する第２の固定部材と、上記
足支持部材を人体の足に固定する第３の固定部材とを有
することを特徴とする動作支援装置。
【請求項６】請求項１、２、３、４又は５のうちのいず
れか一項記載の動作支援装置において、上記動力源兼制
御部は、大気圧より高い圧力の気体を発生する動力源を
有し、この動力源から発生される圧力を上記膝モーメン
ト発生部、上記踝モーメント発生部に供給することによ
り、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生
部に動力を供給することを特徴とする動作支援装置。
【請求項７】請求項６記載の動作支援装置において、上
記動力源は、圧縮ガスまたは圧縮し液化したガスを貯蔵
し、上記動力源兼制御部は、上記動力源からのガスを加
熱する加熱手段を、さらに有することを特徴とする動作
支援装置。
【請求項８】請求項７記載の動作支援装置において、上
記圧縮ガスあるいは液化ガスが膨張あるいは気化、膨張
する際の吸熱作用を用いて人体を冷房する冷房手段を、
さらに備えることを特徴とするの動作支援装置。
【請求項９】請求項７記載の動作支援装置において、上
記圧縮したガスあるいは液化したガスを加熱する手段に
よる熱を用いて人体を暖房する暖房手段を、さらに備え
ることを特徴とする動作支援装置。
【請求項１０】人体の腰部に装着される腰支持ベルト
と、上記腰支持ベルトの両側面側に、それぞれ、配置される
２つの腰部モーメント発生部と、膝部モーメント発生部と、腰部モーメント発生部と膝部モーメント発生部とを接続
する外側大腿支持ビームと、上記外側大腿支持ビームを人体の大腿に固定するための
大腿上部下部支持ベルトと、上記大腿上部下部支持ベルトと膝の内側に配置される膝
部モーメント発生部とを接続する内側大腿支持ビーム
と、踝部モーメント発生部と、上記膝部モーメント発生部と踝部モーメント発生部とを
接続する脛支持ビームと、脛支持ビームを人体の脛部に固定するための脛上装着ベ
ルト及び足首装着ベルトと、足支持部と、上記足支持部と踝部モーメント発生部とを接続する接続
版と、足支持部を人体の足先に固定するための足先装着ベルト
と、腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部及び踝部
モーメント発生部に発生するモーメント、加速度、回転
角度を検出する第１のセンサと、足支持部に加わる荷重を検出する第２のセンサと、上記第１及び第２のセンサからの検出信号に基づいて、
腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部、踝部モ
ーメント発生部の各部に一定の軽減率で人体の動作を支
援するために、それぞれ発生すべき、動作支援力を演算
し、その動作支援のためのエネルギーを、上記各モーメ
ント発生部に供給するエネルギー源兼制御ユニットと、を備えることを特徴とする動作支援装置。