JP2007282991A

JP2007282991A - 腰部支援装置

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Publication number: JP2007282991A
Application number: JP2006115767A
Authority: JP
Inventors: Susumu Tokuyoshi; 晋徳良; Shoichi Hara; 正一原; Keijiro Yamamoto; 圭治郎山本; Toshihiro Yoshimitsu; 俊拓吉満
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2007-11-01
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: JP4573798B2

Abstract

【課題】上半身の自然な屈伸動作を阻むことなく、腰部の負担を軽減できるようにする。
【解決手段】上半身装着具２と、左右一対の大腿部装着具３と、上半身装着具２の左右両側位置と各大腿部装着具３の左右方向の外側位置とを繋ぐ左右一対の荷重伝達装置４とから腰部支援装置１を形成する。荷重伝達装置４は、前後方向に屈伸できる関節部５ａ，５ｂ，５ｃを上下方向所要間隔で複数備え、各関節部５ａ，５ｂ，５ｃに、屈曲状態を伸ばす方向へ力を付与する空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃを個別に備える。装着者７が上半身を屈めるときに、一緒に屈曲させられる各荷重伝達部材４を、各装着具２と３の間で突っ張るように作用させることで、装着者７の腰部に作用する荷重の一部を、上半身装着具２と荷重伝達装置４を介して大腿部装着具３を装着してある装着者７の大腿部で支持させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、身体の屈伸動作を行う際に要する腰部の筋力を軽減できるよう支援する腰部支援装置に関するものである。

たとえば、寝たきり高齢者等の被介護者の排泄や入浴の介助を行う場合は、被介護者のベッドから車椅子への移乗、車椅子から便座への移乗等の移乗介護場面が多く存在し、この際、介護者には手によって被介護者を抱く、抱える、運ぶ等の動作が求められる。そのために、前屈み等の不自然な作業姿勢での重量物の持ち上げ等が原因になり、介護者の腰にかかる負担は多大なものとなり易く、介護者の多くが腰痛を訴える要因となっている。

このような、介護者の身体にかかる肉体的負担を軽減することを目的として、近年では、身体に装着して身体の動作や動きをアシスト（支援）する装置が開発されてきている。

この種の支援装置の１つとしては、たとえば、図６に示す如く、身体の左右の脚に装着して膝関節部を中心とする下腿部と大腿部の相互間の回動力を補助して膝関節を中心とする各脚の屈伸動作を支援する機構ａと、胴に装着して身体の腰部の前後方向の屈伸動作を支援する機構ｂと、左右の腕に装着して肘関節部を中心とする前腕部と上腕部の相互間の回動力を補助して各腕の屈伸動作を支援する機構ｃとを一体に備えてなる形式の介護用筋力補助装置が提案されている。上記腰部での前後方向の屈伸動作を支援する機構ｂは、以下のようにしてある。すなわち、身体の腰部に配置する腰側部材ｄに、身体の胴の部分に装着するための胴装着部ｅが、脚を動かさずに上体のみを屈めた場合の腰の回転支点となる腰側ジョイント部ｆを介して回動自在に連結してある。又、上記腰側部材ｄには、背面側に突出するように駆動部材ｇを固定して、該駆動部材ｇの突出端部に、上方に延びる駆動部材ｈの下端部を回動自在に連結すると共に、該駆動部材ｈの上端部に、上記胴装着部ｅの上端部に回動自在に連結してある連結部材ｉの先端部が回動自在に連結してある。更に、上記連結部材ｇとｈとの連結部における両者の間に、空気圧アクチュエータｊを備えた構成としてある。これにより、上記空気圧アクチュエータｊにより上記各駆動部材ｇとｈ同士の角度を拡縮させることにより、上記腰側ジョイントｆを中心として腰側部材ｄと胴装着部ｅとが角度変更される際の該腰側部材ｄと胴装着部ｅとの相互間の回動力を補助して、人体の腰部の動きを支援するようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。

又、自立歩行が困難な人の歩行動作を支援するための装置としては、腰部に装着する上下方向のフレームの下端部と、左右両脚の大腿部の外側に沿わせてそれぞれ装着するフレームの上端部とを、左右の脚の股関節と対応する個所に配した腿駆動モータを介してそれぞれ連結し、更に、上記左右の大腿部の外側に沿わせて装着するためのフレームの下端部と、左右の下腿部の外側に沿わせてそれぞれ装着するフレームの上端部とを、左右の膝関節と対応する個所に配した膝駆動モータを介してそれぞれ連結してなる構成のものがあり、上記左右の腿駆動モータにより股関節を中心とする腰と大腿部との相互間の回動力を補助すると共に、上記左右の膝駆動モータにより膝関節を中心とする大腿部と下腿部との相互間の回動力を補助できるようにした装着式動作補助装置が従来提案されている。

更に、上記装着式動作補助装置においては、該装置の制御を行う際に、上記腰部に装着するフレームと、上記大腿部に装着するフレームとの間の回動角度から検出される股関節の関節角度と、腸腰筋及び大殿筋の表面筋電位から腿駆動モータの制御を行うようにし、且つ大腿部に装着するためのフレームの下端部と、下腿部に装着するフレームとの間の回動角度から検出される各膝関節の関節角度と、大腿二頭筋及び大腿四頭筋の表面筋電位とから左右の膝駆動用モータの制御を行うようにすることも提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２０００−０５１２８９号公報特開２００５−２３００９９号公報

ところが、上記特許文献１に示されている介護用筋力補助装置は、空気圧アクチュエータｊにより脚部、腰部、腕部の動きを支援する機構となっているが、上記空気圧アクチュエータｊは、配置スペース等の制約を受けることから、基本的には、各関節部における各自由度につき一つずつ設けるようにしてある。すなわち、上記空気圧アクチュエータｊを配置しているのは個別に対応する関節部であって、支援できる動作は限定されている。そのために、上記介護用筋力補助装置では、上半身と下半身のつなぎ目となる腰部においても、脚を動かさずに上体のみを屈めた場合の腰の回転支点に位置する腰側ジョイント部ｆのみを中心として相対的に回動させる腰側部材ｄと胴装着部ｅによって腰部を中心とする上半身の曲げ伸ばし動作を支援させるようになっている。

上記特許文献２に示された装着式動作補助装置においても、駆動モータにより支援するのは、股関節部と膝関節部という回転支点の定まった部分のみを支援するようにしてある。

しかし、本発明者等が人間の上半身の曲げ伸ばし動作の画像解析を行ったところ、人間が上半身を曲げ伸ばし動作するときには、骨盤（仙骨）と腰椎との接続部分や腰椎の部分でのみ前後方向に屈曲するのではなく、より上方に位置する胸椎の部分も上記上半身の曲げ伸ばし動作に追従して前後方向に曲がるようになっている。そのために、人体の上半身の曲げ伸ばし動作を支援するときに、上記特許文献１に示された装置のように、腰部に一つしか回転支点が存在しないと、空気圧アクチュエータｊによって前後方向に回動させるようにしてある腰側部材ｄと胴装着部ｅが身体から離れてしまう可能性がある。あるいは、身体に上記腰側部材ｄや胴装着部ｅをゆるみなく固定するようにした状態では、上半身の自由な（自然な）曲げ伸ばし動作が阻まれる可能性がある。

そこで、本発明は、腰部を中心とする上半身の曲げ伸ばし動作をより自然に行うことができるようにしつつ腰部の負担を軽減できる腰部支援装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、人体の上半身に装着するための上半身装着具と、両脚の大腿部にそれぞれ装着するための大腿部装着具と、前後方向に屈伸できる関節部を上下方向の複数個所に有して、該各関節部ごとに、関節部を屈曲状態から伸ばす方向へ力を付与するためのアクチュエータを具備してなる荷重伝達装置とを備え、上記上半身装着具に作用する荷重を、上記荷重伝達装置を介して各大腿部装着具へ伝達できるようにした構成とする。

又、上記における荷重伝達装置を、上半身装着具の左右位置にそれぞれ取り付ける上部取付フレームと、左右の大腿部装着具の左右方向の外側位置にそれぞれ取り付ける下部取付フレームとの間に、単数又は複数個の連結フレームを配置して、上下方向に隣接するフレームの端部同士を前後方向に回動自在に連結して形成してなる関節部を備えるものとした構成とする。

更に、上記構成における上部取付フレームを、下端に前方から後方へ下向きに傾斜する下端傾斜面を有する形状とし、下部取付フレームを、上端に前方から後方へ上向きに傾斜する上端傾斜面を有する形状とし、更に、連結フレームを、上端に前方から後方へ上向きに傾斜する上端傾斜面を有し且つ下端に前方から後方へ下向きに傾斜する下端傾斜面を有する形状として、上下方向に連結される各フレーム同士の間に形成される前方に開いた楔状の隙間に、上下方向に伸縮可能なアクチュエータを介在させるようにした構成とする。

上述の各構成において、荷重伝達装置の各関節部に該各関節部における屈曲角度を検出する角度センサを備えると共に、上半身装着具を上半身に装着し且つ各大腿部装着具を左右の大腿部に装着してなる装着者の腰部で発生している力を検出するための装置を備え、更に、上記角度センサより入力される信号と、上記装着者の腰部で発生している力を検出する装置から入力される信号とを基に、荷重伝達装置の各関節部に対し対応するアクチュエータより作用させる力を制御するための制御装置を備えた構成とする。

更に、上記における制御装置を、各角度センサからの入力を基に装着者の上半身の姿勢を検出して、該検出される姿勢をとるときに上半身の自重を支えるために腰部に必要とされるトルクを求め、該腰部に必要とされるトルクと、装着者の腰部で発生している力を検出する装置から入力される信号を基に得られる装着者の腰部で発生している力との差分から、上記装着者の上半身の自重以外に腰部に対して作用している負荷の大きさを計算して、該負荷の荷重を上半身装着具、荷重伝達装置を介して各大腿部装着具へ伝えることができるように荷重伝達装置の各関節部に対して対応するアクチュエータより作用させる力を制御する機能を有するものとした構成とする。

前述の各構成における上半身装着具を、上半身に巻き付けて装着できる柔軟で且つ強度を有するプラスチック製の帯状の部材を具備してなるものとし、更に、各大腿部装着部材を、大腿部にそれぞれ巻き付けて装着できる柔軟で且つ強度を有するプラスチック製の帯状部材とした構成とする。

本発明の腰部支援装置によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）人体の上半身に装着するための上半身装着具と、両脚の大腿部にそれぞれ装着するための大腿部装着具と、前後方向に屈伸できる関節部を上下方向の複数個所に有して、該各関節部ごとに、関節部を屈曲状態から伸ばす方向へ力を付与するためのアクチュエータを具備してなる荷重伝達装置とを備え、上記上半身装着具に作用する荷重を、上記荷重伝達装置を介して各大腿部装着具へ伝達できるようにしてあるので、上記上半身装着具を上半身に、又、上記各大腿部装着具を左右両脚の大腿部にそれぞれ装着した装着者が上半身を屈めた姿勢となるときに、上半身より腰部に作用する荷重の一部を、上記上半身装着具、荷重伝達装置を介して、上記大腿部装着具を装着してある装着者の大腿部に伝えて支持させることができる。このため、装着者の上半身の荷重により腰部に作用するトルクを減少させて、該腰部の負担を軽減させることができる。よって、上記装着者に腰痛が発生する虞を未然に防止する効果が期待できる。
（２）又、上記荷重伝達装置は、屈曲可能な関節部を複数備えているため、上記装着者の上半身の屈め動作に伴って腰椎のみならず胸椎部分でも前後方向に曲がる胴体部の動きに容易に追従させることができる。このため、上半身装着具を上半身に、又、各大腿部装着具を左右の大腿部にゆるみなく装着していても、上半身の自然な曲げ伸ばし動作が阻害されないようにすることが可能となる。
（３）荷重伝達装置を、上半身装着具の左右位置にそれぞれ取り付ける上部取付フレームと、左右の大腿部装着具の左右方向の外側位置にそれぞれ取り付ける下部取付フレームとの間に、単数又は複数個の連結フレームを配置して、上下方向に隣接するフレームの端部同士を前後方向に回動自在に連結して形成してなる関節部を備えるものとした構成とすることにより、複数の関節部で前後方向に屈曲可能な荷重伝達装置を容易に構成できる。
（４）上部取付フレームを、下端に前方から後方へ下向きに傾斜する下端傾斜面を有する形状とし、下部取付フレームを、上端に前方から後方へ上向きに傾斜する上端傾斜面を有する形状とし、更に、連結フレームを、上端に前方から後方へ上向きに傾斜する上端傾斜面を有し且つ下端に前方から後方へ下向きに傾斜する下端傾斜面を有する形状として、上下方向に連結される各フレーム同士の間に形成される前方に開いた楔状の隙間に、上下方向に伸縮可能なアクチュエータを介在させるようにすることにより、荷重伝達装置における各関節部に、アクチュエータより該各関節部を屈曲状態から伸ばす方向へ力を付与する構成を容易に実現できる。
（５）荷重伝達装置の各関節部に該各関節部における屈曲角度を検出する角度センサを備えると共に、上半身装着具を上半身に装着し且つ各大腿部装着具を左右の大腿部に装着してなる装着者の腰部で発生している力を検出するための装置を備え、更に、上記角度センサより入力される信号と、上記装着者の腰部で発生している力を検出する装置から入力される信号とを基に、荷重伝達装置の各関節部に対し対応するアクチュエータより作用させる力を制御するための制御装置を備えた構成とし、更に具体的には、上記制御装置が、各角度センサからの入力を基に装着者の上半身の姿勢を検出して、該検出される姿勢をとるときに上半身の自重を支えるために腰部に必要とされるトルクを求め、該腰部に必要とされるトルクと、装着者の腰部で発生している力を検出する装置から入力される信号を基に得られる装着者の腰部で発生している力との差分から、上記装着者の上半身の自重以外に腰部に対して作用している負荷の大きさを計算して、該負荷の荷重を上半身装着具、荷重伝達装置を介して各大腿部装着具へ伝えることができるように荷重伝達装置の各関節部に対して対応するアクチュエータより作用させる力を制御する機能を有するものとしたことにより、上記装着者が上半身を屈めた状態で所要の負荷を持って、該負荷の持ち上げ下げ動作を行うときに、上記荷重伝達装置を介して上記上半身装着具より左右の大腿部装着具へ伝えさせる荷重を自動的に制御することが可能になる。
（６）上半身装着具を、上半身に巻き付けて装着できる柔軟で且つ強度を有するプラスチック製の帯状の部材を具備してなるものとし、更に、各大腿部装着部材を、大腿部にそれぞれ巻き付けて装着できる柔軟で且つ強度を有するプラスチック製の帯状部材とした構成とすることにより、上半身装着具を胸部に、又、各大腿部装着具を左右の大腿部にゆるみなく装着している状態であっても、装着者の上半身のねじり動作や脚の開閉動作等にもある程度対応することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図４は本発明の腰部支援装置の実施の一形態を示すものである。本発明の腰部支援装置１は、人体の上半身に装着できるようにしてある上半身装着具２と、両脚の大腿部にそれぞれ装着できるようにしてある左右一対の大腿部装着具３と、上下方向に延びて上記上半身装着具２の左右両側位置と上記左右の大腿部装着具３における左右方向の外側位置とをそれぞれ繋ぐ左右一対の荷重伝達装置４とからなる。更に、該左右の荷重伝達装置４は、上下方向の複数個所に、前後方向に回動することにより荷重伝達装置４の全体形状を屈伸できる関節部５ａ，５ｂ，５ｃを所要間隔で備えると共に、該各関節部５ａ，５ｂ，５ｃごとに、対応する関節部５ａ，５ｂ，５ｃに対し屈曲状態を伸ばす方向へ力を付与するためのアクチュエータとして、たとえば、空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃを個別に具備してなる構成とする。これにより、図１に二点鎖線で示す如き装着者７の上半身に、上記上半身装着具２を装着し、又、左右の大腿部に上記各大腿部装着具３をそれぞれ装着して上記腰部支援装置１を装着させた状態とすることにより、該装着者７が図２に示すように上半身を前方へ屈めた姿勢をとるときに、この装着者７の上半身の屈め動作に伴われて各関節部５ａ，５ｂ，５ｃで前方へ屈曲させられる上記左右の荷重伝達装置４の各関節部５ａ，５ｂ，５ｃに対し、対応する空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃより伸展方向への所要の力を作用させることにより、上記装着者７の上半身の荷重の一部を、上記上半身装着具２より左右の荷重伝達装置４を介し左右の大腿部装着具３へ伝えて該装着者７の左右の大腿部で支持させることができるようにする。

詳述すると、上記上半身装着具２は、装着者７の胸部の外周に周方向に巻き付けて配置できるようにしてある柔軟で且つ強度を有するプラスチック製の帯状（板状）部材２ａと、該帯状部材２ａと同様の素材により上記帯状部材２ａの周方向前面側と背面側の左右寄り位置同士をそれぞれ前後方向に繋いで装着者７の肩に掛けることができるようにしてある肩掛け部材２ｂとからなる構成としてある。更に、上記上半身装着具２を装着者７が容易に装着できるようにするために、上記帯状部材２ａは、左右両側位置を除く周方向の所要個所、たとえば、周方向前面側の中央部付近で左右に分割できるようにしてあると共に、該分割部分の左右の端部同士を、たとえば、所要寸法オーバーラップさせて面ファスナーやスナップ、バックル等の図示しない接続部材によって取外し可能に接続できるようにしてある。これにより、上記上半身装着具２は、上記帯状部材２ａの前側の分割部分を左右に開いた状態で装着者７の背中側から巻き付けるように胸部高さ位置に配置すると共に上記左右の肩掛け部材２ｂをそれぞれ装着者７の肩に掛けた後、上記帯状部材２ａの分割部分の左右の端部同士を装着者７の胸部の前側で閉じて接続部材を介して接続することで、該装着者７の胸部の外周にほぼ密着させて装着できるようにしてある。

上記大腿部装着具３は、上記上半身装着具２の帯状部材２ａと同様に、柔軟で且つ強度のあるプラスチック製の帯状構造としてあり、左側の大腿部装着具３は左側の外側位置を除く周方向所要個所で、又、右側の大腿部装着具３は右側の外側位置を除く周方向所要個所でそれぞれ周方向に分割すると共に、該各分割部分の端部同士を、たとえば、所要寸法オーバーラップさせて面ファスナーやスナップ、バックル等の図示しない接続部材により取外し可能に接続できるようにしてある。したがって、上記したような装着者７の胸部への上半身装着具２の装着を行い、且つ上記左右の大腿部装着具３を装着者７の左右の大腿部に巻き付けるように配置して、周方向分割部分の端部同士を閉じて上記各大腿部装着具３を装着者７の大腿部に装着することにより、上記腰部支援装置１の装着者７への装着を行うことができるようにしてある。

上記左右の荷重伝達装置４は、上記上半身装着具２の左右位置にそれぞれ取り付ける上部取付フレーム８と、上記左右の大腿部装着具３の左右方向の外側位置にそれぞれ取り付ける下部取付フレーム９との間に、単数又は複数個の連結フレーム、たとえば、上下二段の連結フレーム１０及び１１を配置すると共に、上記上部取付フレーム８の下端部と上段連結フレーム１０の上端部、該上段連結フレーム１０の下端部と下段連結フレーム１１の上端部、及び、該下段連結フレーム１１の下端部と上記下部取付フレーム９の上端部を、それぞれ前後方向に回動可能に連結して、上記各フレーム８と１０の間、各フレーム１０と１１の間、各フレーム１１と９の間に前後方向に屈伸可能な関節部５ａ，５ｂ，５ｃを上下方向の３個所に形成した構成としてある。これにより、上記上下方向に多段に形成された各関節部５ａ，５ｂ，５ｃで、それぞれ各フレーム８と１０、各フレーム１０と１１、各フレーム１１と９同士の前後方向の相対的な回動角度を変えることで、上記装着者７が上半身を屈めたり伸ばす動作を行うときの胸部と大腿部の間の腰部を中心とする胴体部分の前後方向の湾曲に対応させて、該装着者７の胴体部分の左右両側位置にて上記荷重伝達装置４の全体形状を前後方向へ屈曲させたり伸ばしたりできるようにしてある。

更に、具体的には、上記上部取付フレーム８は、下端面が前方から後方へ向けて下向きに傾斜する下端傾斜面８ａとなるように、側面の形状を、たとえば、略直角三角形状として、左右方向の一端部を上記上半身装着具２の周方向における左右両端部の外面に一体に固定してある。

又、上記下部取付フレーム９は、上端面が前方から後方へ向けて上向きに傾斜する上端傾斜面９ａとなるように、側面の形状を、たとえば、略直角三角形状として、左右方向の一端部を、対応する上記左右の大腿部装着具３における左右方向の外側端部の外面に一体に固定してある。

上記各連結フレーム１０と１１は、上端面が前方から後方へ向けて上向きに傾斜する上端傾斜面１０ａ，１１ａとなり、且つ下端面が前方から後方へ向けて下向きに傾斜する下端傾斜面１０ｂ，１１ｂとなるように、側面の形状を、たとえば、二等辺三角形状としてある。

更に、上記各フレーム８と１０、各フレーム１０と１１、各フレーム１１と９は、互いの下端部と上端部とを近接させて上下方向に配置すると共に、図４に示す如く、各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの下側に位置する各フレーム１０，１１，９の上端部に、左右方向に延びる支軸１３を取付部材１２を介して取り付けると共に、各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの上側に位置する各フレーム８，１０，１１の下端部に設けたブラケット１４を、上記支軸１３に回動自在に取り付けて互いに連結する。これにより、上記各支軸１３を中心としてそれぞれ相対的に前後方向に回動可能に連結した上部取付フレーム８の下端傾斜面８ａと上段連結フレーム１０の上端傾斜面１０ａとの間、上段連結フレーム１０の下端傾斜面１０ｂと下段連結フレーム１１の上端傾斜面１１ａとの間、下段連結フレーム１１の下端傾斜面１１ｂと下部取付フレーム９の上端傾斜面９ａとの間に、それぞれ前側の開いた楔状の隙間を形成させるようにしてある。

上記上部取付フレーム８の下端傾斜面８ａと上段連結フレーム１０の上端傾斜面１０ａとの間の隙間、上段連結フレーム１０の下端傾斜面１０ｂと下段連結フレーム１１の上端傾斜面１１ａとの間の隙間、及び下段連結フレーム１１の下端傾斜面１１ｂと下部取付フレーム９の上端傾斜面９ａとの間の隙間には、空気圧により上下方向に伸縮できるようにしてある蛇腹状の空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃをそれぞれ介装させるように配置して、該各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃの上端部を、その上側に位置するフレーム８，１０，１１の下端傾斜面８ａ，１０ｂ，１１ｂに、又、各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃの下端部を、その下側に位置するフレーム１０，１１，９の上端傾斜面１０ａ，１１ａ，９ａにそれぞれ取り付ける。上記各空気アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃには、圧力コントロールを行いつつ空気を供給できるようにしてある電空レギュレータ１５を、空気給排管１６を介してそれぞれ接続し、上記各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃに、上記電空レギュレータ１５より空気給排管１６を通して所要圧力の空気１７をそれぞれ供給することにより、該各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃにより、それぞれの上下に位置する各フレーム８と１０の間の隙間、各フレーム１０と１１の間の隙間、各フレーム１１と９の間の隙間をそれぞれ押し開く方向に力を作用させるようにしてある。このように、上記左右の各荷重伝達装置４における各関節部５ａ，５ｂ，５ｃに対し、屈曲状態から伸ばす方向への力を付与することで、左右の荷重伝達装置４を、屈曲状態としたまま上記上半身装着具２と、各大腿部装着具３との間で突っ張るように作用させることができるようにしてある。

更に、上記各荷重伝達装置４の各関節部５ａ，５ｂ，５ｃには、該各関節部５ａ，５ｂ，５ｃにおける前後方向の屈曲角度を個別に検出するための角度センサ１８を備える。具体的には、上記各関節部５ａ，５ｂ，５ｃにおける屈曲角度は、それぞれの関節部５ａ，５ｂ，５ｃにて上下方向に隣接する各フレーム８と１０、各フレーム１０と１１、各フレーム１１と９の相対的な回動角度変化であることから、上記各角度センサ１８は、たとえば、図４に示す如く、各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの下側に位置するフレーム１０，１１，９の上端部に取付部材１２を介して固定されている支軸１３の外側端部を、該各フレーム１０，１１，９よりも外方へ所要寸法突出させて、該突出端部に所要径の固定ギヤ１９を取り付け、且つ各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの上側に位置するフレーム８，１０，１１の下端部における左右方向の外側面に設置したロータリーエンコーダ２０に取り付けた従動ギヤ２１を、上記固定ギヤ１９に噛合させてなる構成とする。これにより、上記各関節部５ａ，５ｂ，５ｃを挟んで上下方向に隣接する各フレーム８と１０、各フレーム１０と１１、各フレーム１１と９がそれぞれ支軸１３を中心として相対的に回動する際、該支軸１３に固定された固定ギヤ１９の外周を上記従動ギヤ２１が公転移動させられるようになるときの該従動ギヤ２１の回転角度を基に、上記ロータリーエンコーダ２０にて上記各フレーム８と１０、各フレーム１０と１１、各フレーム１１と９の相対的な回動角度を検出することで、上記各関節部５ａ，５ｂ，５ｃにおける前後方向の屈曲角度の検出信号として出力できるようにしてある。なお、上記固定ギヤ１９と従動ギヤ２１の左右方向の外側位置には、図示しないカバーを設けて該各ギヤ１９，２１が外部に露出されないようにしてある。

更に又、上記装着者７の腰部における脊椎から多少ずれた位置に筋電位検出用電極２２を貼付しておき、該筋電位検出用電極２２よりプリアンプ２３、生体アンプ２４を介して入力される上記装着者７の腰部の筋電位信号と、上記各荷重伝達装置４の各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの角度センサ１８より入力される信号とを基に、上記電空レギュレータ１５を制御して該電空レギュレータ１５より上記各荷重伝達装置４の各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへ供給する空気の圧力コントロールを行って、各荷重伝達装置４の各関節部５ａ，５ｂ，５ｃに対し対応するアクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃより作用させる力を制御するための制御装置２５を備える。

ここで、上記制御装置２５における制御の原理について説明する。

上記腰部支援装置１では、胸部に上半身装着具２を、又、左右の大腿部に大腿部装着具３を装着した装着者７が上半身を前後方向に屈めたり伸ばしたりすると、その動作に追従して上記左右の各荷重伝達装置４が、各関節部５ａ，５ｂ，５ｃにて前後方向に屈伸されるようにしてある。したがって、上記荷重伝達装置４の各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの角度センサ１８から入力される該各関節部５ａ，５ｂ，５ｃごとの屈曲角度の検出信号を基に、上記腰部支援装置１を装着している装着者７の上半身の屈め方についての情報を得ることができる。

一方、人体の力学モデルから、人が上半身を或る角度で屈めた姿勢をとるときに、頭部や左右両腕部、上半身の重さ等の上半身より腰部にかかる荷重を算出することができ、該荷重を支えるために腰部に必要とされるトルクを算出することができる。更に、人体の腰部の筋電位信号からは、該腰部で発生させている力の度合いの情報を得ることができる。

これらのことに鑑みて、上記制御装置２５では、上記各荷重伝達装置４の各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの角度センサ１８より入力される信号を基に、上記腰部支援装置１を装着している装着者７の上半身の屈め方についての情報を得た後、人体の力学モデルを参照して、上記のように上半身を屈めた姿勢をとるときに、装着者７の上半身のみの荷重を腰部で支えるときに該腰部に必要とされるトルクを算出する。更に、該算出されたトルクと、上記筋電位検出用電極２２からの信号を基にして求める装着者７の腰部で実際に発生させている力との差分から、上記装着者７の上半身の自重以外に腰部に対してどの程度の負荷が作用しているかを計算する。その上で、上記負荷を含んだ装着者７の上半身の実際の荷重の一部を、上半身装着具２、各荷重伝達装置４を介して各大腿部装着具３が装着してある装着者７の左右の大腿部で支えることができるようにするために、上記上半身装着具２と、各大腿部装着具３との間で左右の荷重伝達装置４を突っ張らせるよう作用させるために必要とされる上記各荷重伝達装置４の各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの供給空気圧力を求めて、この求められた供給圧力で各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの空気の供給が行われるように上記電空レギュレータ１５を制御するようにしてある。なお、上記各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの供給空気圧力を制御する際、上記各荷重伝達装置４ごとに具備された３つの空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの空気の供給圧力をそれぞれ個別に制御するようにして、各荷重伝達装置４に上下方向に長手方向の３個所に設けられている各関節部５ａ，５ｂ，５ｃにおける前後方向の屈曲角度を、該各関節部５ａ，５ｂ，５ｃごとに制御するようにすれば、各荷重伝達装置４を、装着者７の上半身を屈めた姿勢により正確に沿わせて屈曲させた状態で、上記上半身装着具２と各大腿部装着具３との間で突っ張らせるように作用させることができるようになることから、より好ましいが、上記各荷重伝達装置４の３つの空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへ供給する空気圧力を一律に制御するようにしても、上記各荷重伝達装置４を、装着者７の上半身を屈めた姿勢にほぼ沿わせた屈曲状態としながら上記上半身装着具２と、各大腿部装着具３との間で突っ張らせるように作用させることができる。

更に、上記制御装置２５は、上記各荷重伝達装置４の各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの角度センサ１８より入力される信号を基に、装着者７が上半身を直立させた姿勢となっていると判断した場合には、上記各荷重伝達装置４の各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの供給空気圧力を抜くようにしてある。これにより、装着者７が上半身を直立状態とするときには、上記荷重伝達装置４が、該装着者７の胸部の上半身装着具２と左右両脚の大腿部の各大腿部装着具３との間で突っ張るように作用することがないようにして、装着者７が上記腰部支援装置１を装着したまま歩行できるようにしてある。

以上の構成としてある本発明の腰部支援装置１を使用する場合は、上半身装着具２と左右の大腿部装着具３とを、上記したように装着者７の胸部と、左右両脚の大腿部にそれぞれ装着しておく。又、上記筋電位検出用電極２２を、上記装着者７の腰部における脊椎から多少ずれた位置に貼付しておく。この状態にて、上記装着者７が上半身を屈めたり、伸ばしたりすると、上記装着者７の胸部と大腿部との間の腰部を中心とする胴体部分の左右両側位置で該装着者７の上半身の姿勢に沿わされて屈伸される左右の荷重伝達装置４の各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの角度センサ１８からの入力に基づいて、制御装置２５にて上記装着者７の姿勢変化が検出されると共に、その姿勢変化に応じて装着者７の上半身のみの荷重を腰部で支えるときに該腰部に必要とされるトルクが常時算出される。一方、上記筋電位検出用電極２２からの信号を基にして、装着者７の腰部で実際に発生させている力が求められる。この状態にて、上記装着者７が上半身を屈めた姿勢で重量物を持つと、この重量物の荷重が上記装着者７の腰部に対し上半身の自重以外の負荷として作用するようになることから、上記筋電位検出用電極２２からの信号を基にして求められる装着者７の腰部で実際に発生させている力が、装着者７の上半身のみの荷重を腰部で支えるときに該腰部に必要とされるトルクを上回るようになる。このため、上記制御装置２５より上記電空レギュレータ１５へ指令が発せられて腰部支援装置１の左右の各荷重伝達装置４の各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃに対して所要の圧力で空気１７が供給されて、上記各荷重伝達装置４が、上記上半身装着具２と各大腿部装着具３との間で、上記装着者７の腰部に対して作用している上半身の自重以外の負荷の大きさに応じて突っ張るように作用させられる。これにより、上記装着者７の上半身の自重を上回る荷重、すなわち、上記重量物の荷重が、上記上半身装着具２、各荷重伝達装置４を介して各大腿部装着具３を装着してある装着者７の左右の大腿部で支えられるようになることから、上記装着者７は、自身の上半身の自重のみを腰で支えるのとほぼ同程度の力で、上記重量物を持った状態で保持することが可能になる。

上記装着者７が、上半身を屈めた姿勢から腰部を徐々に伸ばすようにして重量物を持ち上げようとするときには、該装着者７の腰部にて発生させる力が、装着者７が上記と同様に上半身を屈めた姿勢から腰部を徐々に伸ばすようにするときの各時点で上記重量物の高さ位置を保持するために腰部に必要とされる力よりも大きくなるため、この腰部で発生させる力の増加分に応じて上記腰部支援装置１の左右の荷重伝達装置４の各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの供給空気圧力が高められる。これにより、上記腰部支援装置１の左右の各荷重伝達装置４が、上記装着者７の上半身の伸び動作に応じて各大腿部装着具３を装着してある左右の大腿部を支点として上記上半身装着具２を押し上げるように作用するようになるため、上記装着者７は、腰部にて発生させる力をわずかに増加させるのみで上記重量物の持ち上げを行うことができるようになる。

一方、上記装着者７が、重量物を持った状態で上半身を徐々に屈めるようにして該重量物を下ろすときには、装着者７の腰部にて発生させる力が、装着者７が上記と同様に上半身を徐々に屈めるときの各時点で上記重量物の高さ位置を保持するために必要とされる力よりも小さくなるため、この腰部で発生させる力の減少分に応じて上記腰部支援装置１の左右の荷重伝達装置４の各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの供給空気圧力が低下させられる。これにより、上記腰部支援装置１の左右の各荷重伝達装置４を突っ張るように作用させて各大腿部装着具３を装着してある左右の大腿部を支点として上記上半身装着具２を支える力が、上記装着者７の腰部にて発生させる力に応じて小さくなるため、上記装着者７は、上記重量物の荷重を上記上半身装着具２、各荷重伝達装置４を介して各大腿部装着具３を装着してある左右の大腿部で受けて支持させながら上記重量物を下ろす動作を行うことができるようになる。

このように、本発明の腰部支援装置によれば、装着者７が上半身を屈めた姿勢で重量物を持つときに上半身より腰部に作用する荷重の一部を、胸部に装着した上半身装着具２、各荷重伝達装置４、大腿部装着具３を介して該装着者７の大腿部にて支持させることができるため、装着者７の上半身の荷重により腰部に作用するトルクを減少させて、該腰部の負担を軽減させることができる。

したがって、たとえば、寝たきり高齢者等の被介護者の移乗介護を行う介護者が上記腰部支援装置１を装着しておくようにすれば、該介護者の腰部にかかる負担を軽減できて、腰痛の発生を未然に防止する効果が期待できる。

又、上記荷重伝達装置４は、屈曲可能な関節部５ａ，５ｂ，５ｃを複数備えているため、装着者７の上半身の屈め動作に伴って腰椎のみならず胸椎部分でも前後方向に曲がる胴体部の動きに容易に追従させることができる。更に、上記荷重伝達装置４は、装着者７の体側に沿って配置されるようにしてあるため、該荷重伝達装置４の全長を変化させることなく装着者７の上半身の屈め動作に容易に追従させることができる。したがって、上半身装着具２を胸部に、又、各大腿部装着具３を左右の大腿部にゆるみなく装着しても、上半身の自然な曲げ伸ばし動作を阻害することはない。しかも、上記上半身装着具２及び大腿部装着具３は、いずれも柔軟で且つ強度のあるプラスチック製としてあるため、上半身装着具２を胸部に、又、各大腿部装着具３を左右の大腿部にゆるみなく装着している状態であっても、装着者７の上半身のねじり動作や脚の開閉動作等にもある程度対応することが可能になる。

上記においては、制御装置２５は、上記左右の各荷重伝達装置４の各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの供給空気圧力を、上記装着者７の腰部に上半身の自重以外に作用している負荷を支えることができるように上記上半身装着具２と各大腿部装着具３との間で左右の荷重伝達装置４を突っ張らせるように作用させるために必要とされる空気供給圧力となるように制御するものとして説明したが、上記上半身装着具２と、各大腿部装着具３との間で左右の荷重伝達装置４を突っ張らせることにより、上記装着者７の上半身の自重の一部をも支えることができるように、上記左右の各荷重伝達装置４の各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの供給空気圧力を制御するものとしてもよい。この場合には、装着者７の腰部にて発生させるべき力は、該装着者７が上半身を屈めるときに、上半身の自重によって腰部に必要とされる力よりも小さくなるため、装着者７の腰部に貼付した筋電位検出用電極２２により検出される腰部の筋電位信号を基に適宜フィードバック制御を行うようにする。ある角度で上半身の自重を支えるために腰部に必要とされるトルクよりも小さいトルクを基準として予め設定しておき、これと実際の腰部の筋電位信号から算出されるトルクとの差分に応じた指令を電空レギュレータ１５に与えて、上記各荷重伝達装置４の各アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへ供給する空気１７の圧力を低下、又は、増加させるよう適宜制御するようにすればよい。

このようにすれば、装着者７が重量物を持つときの腰部の負担を更に軽減させたり、装着者７がなにも重量物を持たない状態であっても、該装着者７の上半身の曲げ伸ばし動作を支援することができるようになる。したがって、たとえば、腰痛を既に発症していて上半身の曲げ伸ばし動作時に上半身の自重を腰部で支えることが困難な人の治療やリハビリ機器として使用できる可能性が期待できる。更には、上記各荷重伝達装置４が屈曲しないように固定できる機構を備えるようにしておけば、最初に各荷重伝達装置４を屈曲しないよう固定した状態で腰椎や下部の胸椎を骨折した際の固定具として使用した後、治癒状況に合わせて徐々に上半身の曲げ伸ばし量を変えることが可能な機能を有するギプスとしても使用できる可能性が期待される。

因みに、本発明者等が行った試験によれば、図５に示す如く、上述した構成としてある腰部支援装置１を装着した装着者７が上半身を直立状態から一旦曲げた後、伸ばす動作を行う際に、各荷重伝達装置４の各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃへの供給空気圧力の制御を適切に行って上記腰部支援装置１を機能させた場合に腰部で検出される筋電位（図５に実線で示す）は、各空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃをフリーにして腰部支援装置１の作動をキャンセルした場合に腰部で検出される筋電位（図５に破線で示す）に比して明らかに低下していた。よって、本発明の腰部支援装置１が、装着者７の腰部の負担を軽減できるという効果を有することが確認された。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、上半身装着具２は装着者７の胸部の外周に装着するものとして示したが、該装着者７の上半身より腰部に作用する荷重の一部を、左右の各荷重伝達装置４、各大腿部装着具３へ伝えて装着者７の大腿部へ受けさせることができれば、上半身装着具２を装着者７の腹部の外周に装着させるようにしてもよい。

上記各荷重伝達装置４は、前後方向に屈曲可能な関節部５ａ，５ｂ，５ｃを上下方向に３段備えてなるものとして示したが、たとえば、上半身装着具２に取り付けた上部取付フレーム８と、各大腿部装着具３に取り付けた下部取付フレーム９との間に、連結フレームを１つのみ介在させるよう連結して、前後方向に屈曲可能な関節部を上下２段に形成させるようにしたり、あるいは、上記各取付フレーム８と９の間に連結フレームを３つ以上連結して、前後方向に屈曲可能な関節部を上下方向に４段以上形成させてなるものとしてもよい。該各荷重伝達装置４の各関節部５ａ，５ｂ，５ｃには、空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃを装備するものとして示したが、該各関節部５ａ，５ｂ，５ｃに対し屈曲状態から伸展方向への力を個別に付与することができれば、油圧式アクチュエータ、高分子アクチュエータ、モータ等、空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃ以外のいかなる形式のアクチュエータを採用してもよい。更には、形状記憶合金や熱変形する素材により関節部５ａ，５ｂ，５ｃを形成するようにしてもよい。この場合には、該各荷重伝達装置４を、上下方向に配列した各フレーム８，１０，１１，９を連結する構成ではなく、一連の合金のような上下方向に直線的に延びる部材の何個所を屈曲できるようにする構造としてもよい。

更に、上記各荷重伝達装置４は、空気圧アクチュエータ６ａ，６ｂ，６ｃにより各関節部５ａ，５ｂ，５ｃで前方に屈曲した状態から伸びる方向への力を付与する機能を有するものとして示したが、前後方向のいずれの方向に屈曲した状態からも所要のアクチュエータにより伸展方向の力を作用させることができるようにした機能を有するものとしてもよい。このようにすれば、装着者７が上半身を後方に反らせた状態から直立状態へ戻す際に腰部にかかる力を支援することが可能になる。

更に又、上記荷重伝達装置４は、装着者７の体側に沿って配置されるようにすることが好ましいが、上半身装着具２に作用する荷重を各大腿部装着具３へ伝達することができれば、装着者７の身体の前後方向位置に配されるように、上記上半身装着具２及び各大腿部装着具３に所要の取付部材を介在させる等して取り付けるようにしてもよい。

制御装置２５では、筋電位検出用電極２２より入力される装着者７の腰部の筋電位信号を基に、該装着者７の腰部で発生している力を計測するものとして示したが、たとえば、筋肉が力を発生するときの変形量を、腰部所要個所に装着した圧力センサに作用する圧力から検出して、該検出される変形量から筋肉が発生している力を算出するようにしてもよい。

角度センサ１８は、各関節部５ａ，５ｂ，５ｃの上下に位置する各フレーム８と１０、各フレーム１０と１１、各フレーム１１と９の相対的な回動角度を検出することができれば、いかなる形式の角度センサを採用するようにしてもよい。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の腰部支援装置の実施の一形態を示す概略側面図である。図１の装置を装着した装着者が上半身を屈めた状態を示す概略側面図である。図１の装置の概略正面図である。図１の装置の関節部を拡大して示す側面図である。図１の装置を用いて本発明者等が行った試験の結果を示す図である。従来提案されている介護用筋力補助装置を示す概要図である。

符号の説明

１腰部支援装置
２上半身装着具
３大腿部装着具
４荷重伝達装置
５ａ，５ｂ，５ｃ関節部
６ａ，６ｂ，６ｃ空気圧アクチュエータ（アクチュエータ）
７装着者
８上部取付フレーム
８ａ下端傾斜面
９下部取付フレーム
９ａ上端傾斜面
１０上段連結フレーム（連結フレーム）
１０ａ上端傾斜面
１０ｂ下端傾斜面
１１下段連結フレーム（連結フレーム）
１１ａ上端傾斜面
１１ｂ下端傾斜面
１８角度センサ
２２筋電位検出用電極（装着者の腰部で発生している力を検出するための装置）
２５制御装置

Claims

人体の上半身に装着するための上半身装着具と、両脚の大腿部にそれぞれ装着するための大腿部装着具と、前後方向に屈伸できる関節部を上下方向の複数個所に有して、該各関節部ごとに、関節部を屈曲状態から伸ばす方向へ力を付与するためのアクチュエータを具備してなる荷重伝達装置とを備え、上記上半身装着具に作用する荷重を、上記荷重伝達装置を介して各大腿部装着具へ伝達できるようにしたことを特徴とする腰部支援装置。
荷重伝達装置を、上半身装着具の左右位置にそれぞれ取り付ける上部取付フレームと、左右の大腿部装着具の左右方向の外側位置にそれぞれ取り付ける下部取付フレームとの間に、単数又は複数個の連結フレームを配置して、上下方向に隣接するフレームの端部同士を前後方向に回動自在に連結して形成してなる関節部を備えるものとした請求項１記載の腰部支援装置。
上部取付フレームを、下端に前方から後方へ下向きに傾斜する下端傾斜面を有する形状とし、下部取付フレームを、上端に前方から後方へ上向きに傾斜する上端傾斜面を有する形状とし、更に、連結フレームを、上端に前方から後方へ上向きに傾斜する上端傾斜面を有し且つ下端に前方から後方へ下向きに傾斜する下端傾斜面を有する形状として、上下方向に連結される各フレーム同士の間に形成される前方に開いた楔状の隙間に、上下方向に伸縮可能なアクチュエータを介在させるようにした請求項２記載の腰部支援装置。
荷重伝達装置の各関節部に該各関節部における屈曲角度を検出する角度センサを備えると共に、上半身装着具を上半身に装着し且つ各大腿部装着具を左右の大腿部に装着してなる装着者の腰部で発生している力を検出するための装置を備え、更に、上記角度センサより入力される信号と、上記装着者の腰部で発生している力を検出する装置から入力される信号とを基に、荷重伝達装置の各関節部に対し対応するアクチュエータより作用させる力を制御するための制御装置を備えた請求項１、２又は３記載の腰部支援装置。
制御装置を、各角度センサからの入力を基に装着者の上半身の姿勢を検出して、該検出される姿勢をとるときに上半身の自重を支えるために腰部に必要とされるトルクを求め、該腰部に必要とされるトルクと、装着者の腰部で発生している力を検出する装置から入力される信号を基に得られる装着者の腰部で発生している力との差分から、上記装着者の上半身の自重以外に腰部に対して作用している負荷の大きさを計算して、該負荷の荷重を上半身装着具、荷重伝達装置を介して各大腿部装着具へ伝えることができるように荷重伝達装置の各関節部に対して対応するアクチュエータより作用させる力を制御する機能を有するものとした請求項４記載の腰部支援装置。
上半身装着具を、上半身に巻き付けて装着できる柔軟で且つ強度を有するプラスチック製の帯状の部材を具備してなるものとし、更に、各大腿部装着部材を、大腿部にそれぞれ巻き付けて装着できる柔軟で且つ強度を有するプラスチック製の帯状部材とした請求項１、２、３、４又は５記載の腰部支援装置。