JP2011092507A - Body-worn muscular strength assisting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人体に装着することにより、低下した筋力を補助する装着型筋力補助装置に関する。 The present invention relates to a wearable muscle strength assisting device that assists with reduced muscle strength by being worn on a human body.
筋力補助装置として、人体の股関節及び膝関節をそれぞれ伸展・屈曲させるモータによる電気アクチュエータを用いた歩行補助装置（特許文献１）や、人体の肩関節、肘関節、腰関節、膝関節及び足首関節の外側にそれぞれジョイントを設けてこれを空気圧によって駆動するアクチュエータを用いた筋力補助装置（特許文献２）が知られている。 As a muscle force assisting device, a walking assist device (Patent Document 1) using an electric actuator by a motor for extending and bending a hip joint and a knee joint of a human body, and a shoulder joint, an elbow joint, a waist joint, a knee joint, and an ankle joint of a human body. There is known a muscular strength assisting device (Patent Document 2) using an actuator in which joints are provided on the outside of each of them and driven by air pressure.
上述したごとき従来の筋力補助装置は、いずれも、モータや空気圧アクチュエータ等の動力によって駆動し、筋力を補助するものである。このため、その駆動源や駆動源の制御装置、さらに駆動源を付勢するための電気エネルギ源や空気圧エネルギ源を用意する必要があり、これは装置の構造を非常に複雑にし、しかも重量を増大させてしまうのみならず、その製造コストを著しく高価にする。 Any of the conventional muscular strength assisting devices as described above is driven by power such as a motor or a pneumatic actuator to assist muscular strength. For this reason, it is necessary to prepare a drive source, a drive source control device, and an electric energy source and a pneumatic energy source for energizing the drive source, which greatly complicates the structure of the device and reduces the weight. In addition to increasing the cost, the manufacturing cost is remarkably increased.
従って本発明の目的は、構造が簡単でかつ軽量であり安価に製造することができる装着型筋力補助装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a wearable muscle strength assisting device that has a simple structure, is lightweight, and can be manufactured at low cost.
本発明によれば、装着型筋力補助装置は、人体に装着して固定される外骨格部を備えており、この外骨格部は、人体の複数の骨位置と対応する位置にそれぞれ配置される複数の骨部材と、人体の複数の関節位置と対応する位置にそれぞれ配置されており、各々が複数の骨部材のうちの２つを連結する複数の第１の回動ジョイント部材とを備えている。複数の第１の回動ジョイント部材の各々は、連結された２つの骨部材を回動自在に支承する支点と、２つの骨部材間の角度が減少する際に弾性エネルギを保存し、その角度が増大する際に弾性エネルギを放出するばね部材とを備えている。 According to the present invention, the wearable muscle strength assisting device includes an exoskeleton portion that is attached and fixed to a human body, and the exoskeleton portion is disposed at a position corresponding to a plurality of bone positions of the human body. A plurality of bone members, and a plurality of first rotation joint members that are respectively arranged at positions corresponding to the plurality of joint positions of the human body, each connecting two of the plurality of bone members. Yes. Each of the plurality of first rotation joint members stores the elastic energy when the angle between the two bone members decreases, and the fulcrum that rotatably supports the two bone members connected to each other. And a spring member that releases elastic energy when the pressure increases.
２つの骨部材を連結する第１の回動ジョイント部材に設けられた支点とばね部材とにより、２つの骨部材間の角度が減少する際に弾性エネルギを保存し逆にその角度が増大する際に弾性エネルギを放出するように構成されている。関節を折り曲げる動作を行う際に第１の回動ジョイント部材に設けられたばね部材に弾性エネルギを保存し、関節を逆に伸ばす動作を行う際に、このばね部材に保存した弾性エネルギを放出することによって、この関節を伸ばす動作を補助している。このように、駆動源やこれを付勢するための電気エネルギ源や空気圧エネルギ源無しに筋力を補助できるので、構造が簡単であると共に軽量であり、しかも安価に製造することができる。 When the angle between the two bone members decreases and the angle increases, conversely, the angle between the two bone members decreases by the fulcrum and the spring member provided on the first rotation joint member that connects the two bone members. Are configured to release elastic energy. When the operation of bending the joint is performed, the elastic energy is stored in the spring member provided in the first rotating joint member, and when the operation of extending the joint is performed reversely, the stored elastic energy is released in the spring member. This helps to extend the joint. As described above, the muscular force can be assisted without the drive source, the electric energy source for energizing the power source, and the pneumatic energy source, so that the structure is simple, the weight is light, and the manufacturing can be performed at low cost.
複数の第１の回動ジョイント部材が、膝関節位置又は股関節位置と対応する位置に配置されていることが好ましい。 The plurality of first rotation joint members are preferably arranged at positions corresponding to the knee joint position or the hip joint position.
この場合、外骨格部の複数の骨部材が、大腿骨に対応する位置に配置される大腿アーム部材と、脛骨に対応する位置に配置される下腿アーム部材とを含んでおり、複数の第１の回動ジョイント部材が、膝関節位置と対応する位置に配置されており大腿アーム部材及び下腿アーム部材を連結する膝ジョイント部材を含んでいることが好ましい。 In this case, the plurality of bone members of the exoskeleton includes a femoral arm member disposed at a position corresponding to the femur and a crus arm member disposed at a position corresponding to the tibia, It is preferable that the rotation joint member includes a knee joint member that is disposed at a position corresponding to the knee joint position and connects the thigh arm member and the crus arm member.
外骨格部の複数の骨部材が、骨盤に対応する位置に配置される骨盤部材と、大腿骨に対応する位置に配置される大腿アーム部材とを含んでおり、複数の第１の回動ジョイント部材が、股関節位置と対応する位置に配置されており骨盤部材及び大腿アーム部材を連結する股ジョイント部材を含んでいることも好ましい。 The plurality of bone members of the exoskeleton includes a pelvis member disposed at a position corresponding to the pelvis and a femoral arm member disposed at a position corresponding to the femur, and the plurality of first rotation joints It is also preferable that the member includes a hip joint member that is disposed at a position corresponding to the hip joint position and connects the pelvis member and the thigh arm member.
ばね部材が、第１の回動ジョイント部材内に設けられた渦巻きばねであることも好ましい。 It is also preferable that the spring member is a spiral spring provided in the first rotation joint member.
外骨格部が、人体の複数の関節位置と対応する位置にそれぞれ配置されており、各々が複数の骨部材のうちの２つを連結する複数の第２の回動ジョイント部材をさらに備えており、複数の第２の回動ジョイント部材の各々が、連結された２つの骨部材間の回動を一方向に制限可能なラチェット機構を備えていることも好ましい。 The exoskeleton portion is disposed at a position corresponding to a plurality of joint positions of the human body, and each further includes a plurality of second rotating joint members that connect two of the plurality of bone members. It is also preferable that each of the plurality of second rotation joint members includes a ratchet mechanism that can limit the rotation between the two connected bone members in one direction.
この場合、外骨格部の複数の骨部材が、上腕骨に対応する位置に配置される上腕アーム部材と、とう骨に対応する位置に配置される前腕アーム部材とを含んでおり、複数の第２の回動ジョイント部材が、肘関節位置と対応する位置に配置されており上腕アーム部材及び前腕アーム部材を連結する肘ジョイント部材を含んでいることが好ましい。 In this case, the plurality of bone members of the exoskeleton includes a humeral arm member disposed at a position corresponding to the humerus and a forearm arm member disposed at a position corresponding to the radius, and a plurality of second arm members. It is preferable that the rotation joint member includes an elbow joint member that is disposed at a position corresponding to the elbow joint position and connects the upper arm arm member and the forearm arm member.
外骨格部の複数の骨部材が、肩甲骨に対応する位置に配置される肩甲骨部材と、上腕骨に対応する位置に配置される上腕アーム部材とを含んでおり、複数の第２の回動ジョイント部材が、肩関節位置と対応する位置に配置されており肩甲骨部材及び上腕アーム部材を連結する肩ジョイント部材を含んでいることも好ましい。 The plurality of bone members of the exoskeleton includes a scapula member disposed at a position corresponding to the scapula and an humeral arm member disposed at a position corresponding to the humerus. It is also preferable that the dynamic joint member includes a shoulder joint member that is disposed at a position corresponding to the shoulder joint position and connects the scapula member and the upper arm member.
本発明によれば、駆動源やこれを付勢するための電気エネルギ源や空気圧エネルギ源無しに筋力を補助できるので、構造が簡単であると共に軽量であり、しかも安価に製造することができる。 According to the present invention, muscular strength can be assisted without a drive source, an electric energy source for energizing the power source, or a pneumatic energy source, so that the structure is simple, the weight is light, and it can be manufactured at low cost.
図１は本発明の装着型筋力補助装置の一実施形態における外骨格部全体の構成を概略的に示す分解斜視図である。 FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of the entire exoskeleton in one embodiment of the wearable muscle strength assisting device of the present invention.
同図に示すように、本実施形態おいて、外骨格部は、互いに独立した下肢外骨格部１００と、上肢外骨格部２００とから構成されている。 As shown in the figure, in the present embodiment, the exoskeleton portion is composed of a lower limb exoskeleton portion 100 and an upper limb exoskeleton portion 200 which are independent from each other.
下肢外骨格部１００は、人体に装着された際に人体の大腿骨に対応する位置に配置される大腿アーム部材１０１と、脛骨に対応する位置に配置される下腿アーム部材１０２と、これら大腿アーム部材１０１及び下腿アーム部材１０２を連結しており、人体に装着された際に膝関節位置と対応する位置に配置されて前後及び上下方向に回動自在に構成されている膝ジョイント部材１０３とを備えている。さらに、大腿アーム部材１０１に対応して大腿骨の内側に配置される内大腿アーム部材１０４と、下腿アーム部材１０２に対応して脛骨の内側に配置される内下腿アーム部材１０５と、これら内大腿アーム部材１０４及び内下腿アーム部材１０５を連結しており、前後及び上下方向に回動自在に構成されている内膝ジョイント部材１０６とを備えている。もちろん、これら大腿アーム部材１０１、下腿アーム部材１０２及び膝ジョイント部材１０３並びに内大腿アーム部材１０４、内下腿アーム部材１０５及び内膝ジョイント部材１０６は人体の左右の脚に対応して同様のものが左右で計１対備えられているが、以下の記載においては、下肢外骨格部１００の一方の脚（左脚）に対応する部分のみを説明する。 The lower limb exoskeleton 100 includes a thigh arm member 101 disposed at a position corresponding to the femur of the human body when worn on the human body, a crus arm member 102 disposed at a position corresponding to the tibia, and the thigh arm. A member 101 and a crus arm member 102 are connected to each other, and a knee joint member 103 arranged at a position corresponding to a knee joint position when mounted on a human body and configured to be rotatable in the front-rear and up-down directions. I have. Furthermore, an inner thigh arm member 104 disposed inside the femur corresponding to the thigh arm member 101, an inner thigh arm member 105 disposed inside the tibia corresponding to the lower thigh arm member 102, and these inner thighs An arm member 104 and an inner crus arm member 105 are connected to each other, and an inner knee joint member 106 configured to be rotatable in the front-rear and vertical directions is provided. Of course, the thigh arm member 101, the crus arm member 102 and the knee joint member 103, the inner thigh arm member 104, the inner crus arm member 105 and the inner knee joint member 106 correspond to the left and right legs of the human body, and the same ones are left and right. However, in the following description, only the part corresponding to one leg (left leg) of the lower limb exoskeleton part 100 will be described.
下腿アーム部材１０２及び内下腿アーム部材１０５の先端部は人体の足首を把持する足フレーム１０７に連結されている。この足フレーム１０７は、靴を脱いだ状態及び靴を履いた状態のいずれにおいても足首が装着できるように構成されており、足関節（距腿関節）に対応する位置において回動自在に下腿アーム部材１０２及び内下腿アーム部材１０５に連結されている。これにより、足首は屈曲が可能となる。足関節（距腿関節）と同様に下腿アーム部材１０２及び内下腿アーム部材１０５の後端部は上述の膝ジョイント部材１０３及び内膝ジョイント部材１０６にそれぞれ連結されている。なお、大腿アーム部材１０１及び内大腿アーム部材１０４の先端部は膝ジョイント部材１０３及び内膝ジョイント部材１０６にそれぞれ連結されている。大腿アーム部材１０１の後端部は股ジョイント部材１０９に連結されている。 The distal ends of the crus arm member 102 and the inner crus arm member 105 are connected to a foot frame 107 that holds the ankle of the human body. The foot frame 107 is configured such that the ankle can be worn both in the state where the shoes are removed and in the state where the shoes are worn, and the leg arm 107 is rotatable at a position corresponding to the ankle joint (thigh joint). The member 102 and the inner crus arm member 105 are connected. As a result, the ankle can be bent. Similar to the ankle joint (thigh joint), the rear ends of the lower leg arm member 102 and the inner lower leg arm member 105 are connected to the above-described knee joint member 103 and inner knee joint member 106, respectively. The tip portions of the thigh arm member 101 and the inner thigh arm member 104 are connected to the knee joint member 103 and the inner knee joint member 106, respectively. The rear end of the thigh arm member 101 is connected to the crotch joint member 109.
膝ジョイント部材１０３と内膝ジョイント部材１０６とは、パイプ１０８ａ及び１０８ｂによって一体化されている。即ち、膝ジョイント部材１０３及び内膝ジョイント部材１０６には、人体に装着した際に膝関節の後方に位置するつなぎ部１０３ｃ及び１０６ｃがそれぞれ形成されており、つなぎ部１０３ｃにはパイプ１０８ａが固着されており、つなぎ部１０６ｃにはパイプ１０８ｂが固着されている。これらパイプ１０８ａ及び１０８ｂは相互に嵌合できるようにその径が互いに異なっており、全長が伸縮自在となるように構成されている。従って、人体の膝の幅が異なる場合でも、膝ジョイント部材１０３と内膝ジョイント部材１０６とを、伸縮自在のパイプ１０８ａ及び１０８ｂによって、膝の後方で一体化することができる。このように膝の後方にパイプ１０８ａ及び１０８ｂが設けられているので、膝を屈折した際に、膝ジョイント部材１０３と内膝ジョイント部材１０６の部分が前方に突出するのを防止できる。 The knee joint member 103 and the inner knee joint member 106 are integrated by pipes 108a and 108b. That is, the knee joint member 103 and the inner knee joint member 106 are formed with joint portions 103c and 106c, respectively, which are located behind the knee joint when worn on the human body, and the pipe 108a is fixed to the joint portion 103c. The pipe 108b is fixed to the connecting portion 106c. These pipes 108a and 108b have different diameters so that they can be fitted to each other, and are configured such that their entire lengths can be expanded and contracted. Therefore, even when the knees of the human body have different widths, the knee joint member 103 and the inner knee joint member 106 can be integrated behind the knee by the telescopic pipes 108a and 108b. Thus, since the pipes 108a and 108b are provided behind the knee, it is possible to prevent the knee joint member 103 and the inner knee joint member 106 from protruding forward when the knee is bent.
膝ジョイント部材１０３内には、この下腿アーム部材１０２の回動軸（支点）１０２ａと同軸に第１の渦巻きばね部材１１０が設けられている。第１の渦巻きばね部材１１０の中央端１１０ａは膝ジョイント部材１０３の第１の固定軸１０３ａに固定されており、第１の渦巻きばね部材１１０の外側端１１０ｂは下腿アーム部材１０２のストッパ１０２ｂに当接しているか又は固定されている。このストッパ１０２ｂは、下腿アーム部材１０２の後端部において、回動軸１０２ａとは異なる位置に設けられている。 In the knee joint member 103, a first spiral spring member 110 is provided coaxially with the rotation axis (fulcrum) 102a of the lower leg arm member 102. The center end 110 a of the first spiral spring member 110 is fixed to the first fixed shaft 103 a of the knee joint member 103, and the outer end 110 b of the first spiral spring member 110 contacts the stopper 102 b of the crus arm member 102. Touching or fixed. The stopper 102b is provided at a position different from the rotation shaft 102a at the rear end of the crus arm member 102.
さらに膝ジョイント部材１０３内には、大腿アーム部材１０１の回動軸（支点）１０１ａと同軸に第２の渦巻きばね部材１１１が設けられている。第２の渦巻きばね部材１１１の中央端１１１ａは膝ジョイント部材１０３の第２の固定軸１０３ｂに固定されており、第２の渦巻きばね部材１１１の外側端１１１ｂは上腿アーム部材１０１のストッパ１０１ｂに当接しているか又は固定されている。このストッパ１０１ｂは大腿アーム部材１０１の先端部において、回動軸１０１ａとは異なる位置に設けられている。 Further, in the knee joint member 103, a second spiral spring member 111 is provided coaxially with the rotation axis (fulcrum) 101a of the thigh arm member 101. The center end 111 a of the second spiral spring member 111 is fixed to the second fixed shaft 103 b of the knee joint member 103, and the outer end 111 b of the second spiral spring member 111 is connected to the stopper 101 b of the upper leg arm member 101. Abutting or fixed. The stopper 101b is provided at a position different from the rotation shaft 101a at the tip of the thigh arm member 101.
第１の渦巻きばね部材１１０及び第２の渦巻きばね部材１１１の各々は、例えば厚さ２．０ｍｍ、幅３．５ｍｍの板状の金属などその面方向に巻き込んだもので、その中心軸を巻き込むことで面に対する横方向の変化を与えて弾性エネルギを保存する。力を出すときはこれが伸びる方向に変形するから、弾性エネルギを放出して軸を回転させることができる。従って、これら第１の渦巻きばね部材１１０及び第２の渦巻きばね部材１１１により、膝を折り曲げる際に弾性エネルギが保存され、膝を伸ばす際にその保存された弾性エネルギが放出されて膝を伸ばす動作が補助されることとなる。なお、本実施形態においては、膝ジョイント部材１０３が、互いに異なる位置にある２つの支点を中心として回動自在に大腿アーム部材１０１及び下腿アーム部材１０２を連結しているので、ほぼ１８０度となるように膝を曲げて正座する際にもこの膝の部分が自由に屈曲するように動作する。内膝ジョイント部材１０６内の構成も上述した膝ジョイント部材１０３の場合と同様である。 Each of the first spiral spring member 110 and the second spiral spring member 111 is, for example, a plate-like metal having a thickness of 2.0 mm and a width of 3.5 mm, which is wound in the surface direction, and is wound around its central axis. Thus, the elastic energy is preserved by giving a change in the lateral direction with respect to the surface. When a force is applied, it is deformed in the direction in which it is extended, so that elastic energy can be released to rotate the shaft. Accordingly, the first spiral spring member 110 and the second spiral spring member 111 store elastic energy when the knee is bent, and the stored elastic energy is released when the knee is stretched to extend the knee. Will be assisted. In the present embodiment, the knee joint member 103 connects the thigh arm member 101 and the crus arm member 102 so as to be rotatable around two fulcrums at different positions. Thus, even when the knee is bent and seated normally, the knee part operates so as to bend freely. The configuration in the inner knee joint member 106 is the same as that of the knee joint member 103 described above.
なお、図示されていないが、大腿アーム部材１０１の途中に腰外曲蝶板部材を設け、大腿を広げた際に、大腿アーム部材１０１及びこれより下の部材がこの動作に応じて可動となるように構成してもよい。 Although not shown in the figure, when a hip outer curved butterfly plate member is provided in the middle of the thigh arm member 101 and the thigh is spread, the thigh arm member 101 and members below the thigh arm member 101 are movable in accordance with this operation. You may comprise as follows.
下肢外骨格部１００は、さらに、人体に装着された際に人体の骨盤に対応する位置に配置される骨盤部材１１２と、骨盤部材１１２及び大腿アーム部材１０１を連結しており、人体に装着された際に股関節位置と対応する位置に配置されて、前後及び上下方向に回動自在に構成されている股ジョイント部材１０９とを備えている。もちろん、これら骨盤部材１１２、大腿アーム部材１０１及び股ジョイント部材１０９も人体の左右の腕に対応して同様のものが左右で計１対備えられているが、以下の記載においては、下肢外骨格部１００の一方の脚（左脚）に対応する部分のみを説明する。 The lower limb exoskeleton 100 further connects the pelvis member 112, which is disposed at a position corresponding to the pelvis of the human body when attached to the human body, the pelvis member 112, and the thigh arm member 101, and is attached to the human body. And a hip joint member 109 which is disposed at a position corresponding to the hip joint position and is configured to be rotatable in the front-rear and vertical directions. Of course, the pelvis member 112, the thigh arm member 101, and the crotch joint member 109 are also provided with a pair of the same ones corresponding to the left and right arms of the human body. Only a portion corresponding to one leg (left leg) of the unit 100 will be described.
股ジョイント部材１０９内には、大腿アーム部材１０１の回動軸１０１ａと同軸に渦巻きばね部材１１３が設けられている。この渦巻きばね部材１１３は、第１の渦巻きばね部材１１０及び第２の渦巻きばね部材１１１より強力なばね部材となっている。この渦巻きばね部材１１３の中央端１１３ａは骨盤部材１１２に設けられた固定軸１１２ａに固定されており、渦巻きばね部材１１３の外側端１１３ｂは大腿アーム部材１０１のストッパ１０１ｂに当接しているか又は固定されている。このストッパ１０１ｂは、大腿アーム部材１０１の後端部において、回動軸１０１ａとは異なる位置に設けられている。 In the crotch joint member 109, a spiral spring member 113 is provided coaxially with the rotation shaft 101a of the thigh arm member 101. The spiral spring member 113 is a stronger spring member than the first spiral spring member 110 and the second spiral spring member 111. The central end 113 a of the spiral spring member 113 is fixed to a fixed shaft 112 a provided on the pelvis member 112, and the outer end 113 b of the spiral spring member 113 is in contact with or fixed to the stopper 101 b of the thigh arm member 101. ing. The stopper 101b is provided at a position different from the rotation shaft 101a at the rear end of the thigh arm member 101.
渦巻きばね部材１１３は、例えば厚さ２．５ｍｍ、幅８．０ｍｍの板状の金属などその面方向に巻き込んだもので、その中心軸を巻き込むことで面に対する横方向の変化を与えて弾性エネルギを保存する。力を出すときはこれが伸びる方向に変形するから、弾性エネルギを放出して軸を回転させることができる。従って、この渦巻きばね部材１１３により、腰を折り曲げる際に弾性エネルギが保存され、腰を伸ばす際にその保存された弾性エネルギが放出されて腰を伸ばす動作が補助されることとなる。なお、本実施形態においては、股ジョイント部材１０９は、ほぼ９０度となるように腰を曲げて椅子などに座る際にもこの腰の部分が自由に屈曲するように動作する。 The spiral spring member 113 is, for example, a plate-like metal having a thickness of 2.5 mm and a width of 8.0 mm, and is wound in its surface direction. Save. When a force is applied, it is deformed in the direction in which it is extended, so that elastic energy can be released to rotate the shaft. Accordingly, the spiral spring member 113 stores elastic energy when the waist is bent, and releases the stored elastic energy when the waist is stretched to assist the operation of stretching the waist. In the present embodiment, the crotch joint member 109 operates so that the waist portion can be bent freely even when the hip joint member 109 bends the waist so as to be approximately 90 degrees and sits on a chair or the like.
骨盤部材１１２はＴ字形状を有しており、その先端部が前述の股ジョイント部材１０９に連結されている。骨盤部材１１２の後端部は、人体の腰に装着される腰ベルト１１４に固着されている。 The pelvis member 112 has a T-shape, and the tip thereof is connected to the above-described crotch joint member 109. The rear end of the pelvis member 112 is fixed to a waist belt 114 that is worn on the waist of the human body.
腰ベルト１１４の骨盤部材１１２の固着位置には、脇アーム部材１１５の下端部が固着されている。もちろん、この脇アーム部材１１５も人体の左右の腕に対応して同様のものが左右で計１対備えられている。脇アーム部材１１５は上方に伸長しており、その上端部１１５ａは人体の脇の下を支持できるように平坦又はやや凹状の支持面を備えている。これにより、松葉杖のごとく脇アーム部材１１５で人体を支えることが可能となる。 The lower end portion of the side arm member 115 is fixed to the fixing position of the pelvic member 112 of the waist belt 114. Of course, the side arm member 115 is also provided with a total of one pair of left and right similar members corresponding to the left and right arms of the human body. The side arm member 115 extends upward, and the upper end portion 115a thereof has a flat or slightly concave support surface so that the armpit of the human body can be supported. Thereby, it becomes possible to support a human body with the side arm member 115 like a crutch.
上肢外骨格部２００は、人体に装着された際に人体の上腕骨に対応する位置に配置される上腕アーム部材２０１と、人体のとう骨に対応する位置に配置される前腕アーム部材２０２と、これら上腕アーム部材２０１及び前腕アーム部材２０２を互いに連結しており、人体に装着された際に肘関節位置と対応する位置に配置される肘ジョイント部材２０３とを備えている。もちろん、これら上腕アーム部材２０１、前腕アーム部材２０２及び肘ジョイント部材２０３は人体の左右の腕に対応して同様のものが左右で計１対備えられているが、以下の記載においては、上肢外骨格部２００の一方の腕（左腕）に対応する部分のみを説明する。 The upper limb exoskeleton 200 includes an upper arm arm member 201 disposed at a position corresponding to the humerus of the human body when worn on the human body, a forearm arm member 202 disposed at a position corresponding to the human rib, The upper arm arm member 201 and the forearm arm member 202 are connected to each other, and are provided with an elbow joint member 203 disposed at a position corresponding to the elbow joint position when the upper arm arm member 201 and the forearm arm member 202 are attached to the human body. Of course, the upper arm arm member 201, the forearm arm member 202, and the elbow joint member 203 are provided with a total of one pair corresponding to the left and right arms of the human body. Only a portion corresponding to one arm (left arm) of the skeleton 200 will be described.
前腕アーム部材２０２の先端は人体の前腕を把持する前腕支持部２０４を有しており、その後端は上述の肘ジョイント部材２０３に接続されている。 The front end of the forearm arm member 202 has a forearm support portion 204 that holds the forearm of the human body, and the rear end is connected to the above-described elbow joint member 203.
肘ジョイント部材２０３内には、前後及び上下の回動方向を一方向に制限するラチェット機構２０５が設けられている。このラチェット機構２０５は上腕アーム部材２０１に固着されたラチェット歯車２０５ａと、前腕アーム部材２０２にその軸が固定された爪２０５ｂと、この爪２０５ｂをラチェット歯車２０５ａ方向に付勢するコイルばね部材２０５ｃとを備えている。これにより、肘ジョイント部材２０３は、前腕アーム部材２０２を折り曲げる方向、即ち前腕アーム部材２０２及び上腕アーム部材２０１間の角度が減少する方向にのみ回動し、その回動位置において逆方向への回動が阻止される。即ち、前腕アーム部材２０２及び上腕アーム部材２０１間の角度を任意の値に維持することができる。この角度が０度に近いある値以下となると、爪２０５ｂがラチェット歯車２０５ａから外れて肘ジョイント部材２０３が逆方向に回動可能となり、前腕アーム部材２０２を元の角度に戻すことが可能となる。 A ratchet mechanism 205 is provided in the elbow joint member 203 to limit the forward / backward and upper / lower rotational directions to one direction. The ratchet mechanism 205 includes a ratchet gear 205a fixed to the upper arm arm member 201, a claw 205b whose axis is fixed to the forearm arm member 202, and a coil spring member 205c that urges the claw 205b toward the ratchet gear 205a. It has. As a result, the elbow joint member 203 rotates only in the direction in which the forearm arm member 202 is bent, that is, in the direction in which the angle between the forearm arm member 202 and the upper arm arm member 201 decreases, and rotates in the opposite direction at the rotation position. Movement is blocked. That is, the angle between the forearm arm member 202 and the upper arm arm member 201 can be maintained at an arbitrary value. When this angle is less than a certain value close to 0 degrees, the claw 205b is disengaged from the ratchet gear 205a, the elbow joint member 203 can be rotated in the reverse direction, and the forearm arm member 202 can be returned to the original angle. .
上腕アーム部材２０１の途中には、上腕内蝶板部材２０６が設けられており、その先の上腕アーム部材２０１、肘ジョイント部材２０３及び前腕アーム部材２０２が内側に屈折できるように構成されている。 An upper arm butterfly plate member 206 is provided in the middle of the upper arm arm member 201 so that the upper arm arm member 201, the elbow joint member 203, and the forearm arm member 202 can be refracted inward.
上肢外骨格部２００は、さらに、人体に装着された際に人体の肩甲骨に対応する位置に配置される肩甲骨部材２０７と、上腕アーム部材２０１及び肩甲骨部材２０７を互いに連結しており、人体に装着された際に肩関節位置と対応する位置に配置される肩ジョイント部材２０８とを備えている。もちろん、これら肩甲骨部材２０７及び肩ジョイント部材２０８は人体の左右の腕に対応して同様のものが左右で計１対備えられているが、以下の記載においては、上肢外骨格部２００の一方の腕（左腕）に対応する部分のみを説明する。 The upper limb exoskeleton 200 further connects the scapula member 207 disposed at a position corresponding to the scapula of the human body, the upper arm arm member 201, and the scapula member 207 when attached to the human body, And a shoulder joint member 208 disposed at a position corresponding to the position of the shoulder joint when mounted on the human body. Of course, these scapula members 207 and shoulder joint members 208 are provided with a pair of the same ones corresponding to the left and right arms of the human body, but in the following description, Only the portion corresponding to the arm (left arm) will be described.
上腕アーム部材２０１の先端は前述の肘ジョイント部材２０３に接続されており、その後端は上述の肩ジョイント部材２０８に接続されている。 The distal end of the upper arm arm member 201 is connected to the elbow joint member 203 described above, and the rear end thereof is connected to the shoulder joint member 208 described above.
肩ジョイント部材２０８内には、前後及び上下の回動方向を一方向に制限するラチェット機構２０９と、横及び上下方向に回動自在とする横方向回動機構２１０とが設けられている。このラチェット機構２０９は横方向回動機構２１０の回動部材２１０ｃに固着されたラチェット歯車２０９ａと、上腕アーム部材２０１にその軸が固定された爪２０９ｂと、この爪２０９ｂをラチェット歯車２０９ａ方向に付勢するコイルばね部材２０９ｃとを備えている。これにより、肩ジョイント部材２０８は、上腕アーム部材２０１を前及び上方向に曲げる方向、即ち上腕アーム部材２０１及び肩甲骨部材２０７間の角度が増大する方向にのみ回動し、その回動位置において逆方向への回動が阻止される。即ち、上腕アーム部材２０１及び肩甲骨部材２０７間の角度を任意の値に維持することができる。この角度が０度に近いある値以下となると、爪２０９ｂがラチェット歯車２０９ａから外れて肩ジョイント部材２０８が逆方向に回動可能となり、上腕アーム部材２０１を元の角度に戻すことが可能となる。 In the shoulder joint member 208, there are provided a ratchet mechanism 209 that restricts the forward and backward and up and down rotation directions to one direction, and a lateral rotation mechanism 210 that can freely rotate in the horizontal and vertical directions. The ratchet mechanism 209 includes a ratchet gear 209a fixed to the rotation member 210c of the lateral rotation mechanism 210, a claw 209b whose axis is fixed to the upper arm member 201, and the claw 209b attached to the ratchet gear 209a. And a coil spring member 209c. As a result, the shoulder joint member 208 rotates only in the direction in which the upper arm member 201 is bent forward and upward, that is, in the direction in which the angle between the upper arm member 201 and the scapula member 207 increases. Reverse rotation is prevented. That is, the angle between the upper arm member 201 and the scapula member 207 can be maintained at an arbitrary value. When this angle is less than a certain value close to 0 degrees, the claw 209b is disengaged from the ratchet gear 209a, the shoulder joint member 208 can be rotated in the reverse direction, and the upper arm member 201 can be returned to the original angle. .
横方向回動機構２１０は、肩甲骨部材２０７に固定されており人体の前後方向に伸長している支持軸２１０ａと、この支持軸２１０ａに２つの軸孔２１０ｂが回動自在に挿通した回動部材２１０ｃとを備えており、人体の横及び上下方向に回動できるように構成されている。 The lateral rotation mechanism 210 is fixed to the scapula member 207 and extends in the front-rear direction of the human body, and the rotation is such that two shaft holes 210b are rotatably inserted into the support shaft 210a. Member 210c, and is configured to be able to rotate in the horizontal and vertical directions of the human body.
肩甲骨部材２０７は弾力性を有する布製の肩ベルト２１２に連結されており、さらにその他の部分にこれも弾力性を有する布製の帯部材２１１によって連結されている。胸部左右の帯部材２１１は背中側の蝶板部材２１３及び前側の止め金部材２１４によって一体化されて人体の胸部に装着固定されるように構成されている。 The scapula member 207 is connected to a cloth shoulder belt 212 having elasticity, and is further connected to other portions by a cloth belt member 211 having elasticity. The band members 211 on the left and right sides of the chest are integrated by a back-side butterfly plate member 213 and a front clasp member 214 so as to be attached and fixed to the chest of the human body.
図２は本実施形態における外骨格部を人体の脚部に装着した状態を説明する斜視図、図３は本実施形態における外骨格部を人体の腕部に装着した状態を説明する斜視図であり、図４は本実施形態における外骨格部を人体に装着した全体の状態を説明する側面図である。ただし、図４において（Ａ）は靴を履いて起立している状態、（Ｂ）は靴を脱いで正座している状態を示している。 FIG. 2 is a perspective view illustrating a state in which the exoskeleton portion according to the present embodiment is mounted on a leg portion of a human body, and FIG. 3 is a perspective view illustrating a state in which the exoskeleton portion according to the present embodiment is mounted on an arm portion of the human body. FIG. 4 is a side view for explaining the overall state in which the exoskeleton in the present embodiment is mounted on a human body. However, in FIG. 4, (A) shows a state where the person is standing while wearing shoes, and (B) shows a state where the person is sitting with the shoes removed.
以下これらの図を用いて、本実施形態の装着型筋力補助装置の装着方法及び動作を説明する。 Hereinafter, the mounting method and operation of the wearable muscle strength assisting apparatus according to the present embodiment will be described with reference to these drawings.
図２に示すように、下肢外骨格部１００については、足フレーム１０７の内側上部に足３００を置き、下腿アーム部材１０２及び内下腿アーム部材１０５間に下腿３０１を、膝関節部材１０３及び内膝関節部材１０６間に膝関節３０２を、大腿アーム部材１０１及び内大腿アーム部材１０４間に大腿３０３をそれぞれ位置させる。 As shown in FIG. 2, with regard to the lower limb exoskeleton 100, the foot 300 is placed on the inner upper part of the foot frame 107, the lower leg 301 is placed between the lower leg arm member 102 and the inner lower leg arm member 105, and the knee joint member 103 and the inner knee. The knee joint 302 is positioned between the joint members 106, and the thigh 303 is positioned between the thigh arm member 101 and the inner thigh arm member 104.
次いで、万能ベルト４００によって足３００の前側及び後側を固定して足３００を足フレーム１０７に確実に固定する。さらに、万能ベルト４０１によって膝３０２を膝関節部材１０３及び内膝関節部材１０６に上下から確実に固定する。その際に、膝ジョイント部材１０３と内膝ジョイント部材１０６とを、伸縮自在のパイプ１０８ａ及び１０８ｂによって、膝の後方で一体化する。これにより膝の後方にパイプ１０８ａ及び１０８ｂが位置することとなるので、膝を屈折した際に、膝ジョイント部材１０３と内膝ジョイント部材１０６の部分が前方に突出するのを防止できる。さらに、万能ベルト４０２によって大腿３０３を大腿アーム部材１０１及び内大腿アーム部材１０４に確実に固定する。また、図示されていないが、人体の腰は腰ベルト１１４によって固定する。 Next, the front and rear sides of the foot 300 are fixed by the universal belt 400 to securely fix the foot 300 to the foot frame 107. Further, the universal belt 401 securely fixes the knee 302 to the knee joint member 103 and the inner knee joint member 106 from above and below. At that time, the knee joint member 103 and the inner knee joint member 106 are integrated behind the knee by the telescopic pipes 108a and 108b. As a result, the pipes 108a and 108b are located behind the knee, so that the knee joint member 103 and the inner knee joint member 106 can be prevented from protruding forward when the knee is refracted. Further, the thigh 303 is securely fixed to the thigh arm member 101 and the inner thigh arm member 104 by the universal belt 402. Further, although not shown, the waist of the human body is fixed by the waist belt 114.
一方、図３に示すように、上肢外骨格部２００については、蝶板部材２１３を開いて、肩ベルト２１２が肩に掛かるようにこの上肢外骨格部２００を背中から人体の上肢へ装着し、止め金部材２１４をロックして胸部へ固定する。そして、前腕支持部２０４に人体の手首３０４を挿入し、万能ベルト４０３及び４０４によって前腕３０５を前腕アーム部材２０２に固定すると共に肘３０６を肘ジョイント部材２０３の位置に配置し、万能ベルト４０５によって上腕３０７を上腕アーム部材２０１に固定する。 On the other hand, as shown in FIG. 3, for the upper limb exoskeleton 200, the butterfly plate member 213 is opened, and the upper limb exoskeleton 200 is worn from the back to the upper limb of the human body so that the shoulder belt 212 is hooked on the shoulder. The stopper member 214 is locked and fixed to the chest. Then, the human wrist 304 is inserted into the forearm support portion 204, the forearm 305 is fixed to the forearm arm member 202 by the universal belts 403 and 404, the elbow 306 is disposed at the position of the elbow joint member 203, and the upper arm by the universal belt 405 307 is fixed to the upper arm arm member 201.
図４に示すように本実施形態の装着型筋力補助装置を人体に装着することによって、以下の作用効果を得ることができる。 As shown in FIG. 4, the following effects can be obtained by mounting the wearable muscle strength assisting device of the present embodiment on a human body.
まず、通常の歩行動作、坂道の上り下り動作、階段の上り下り動作、力仕事、椅子への座り及び椅子からの立ち上がり動作、並びに正座動作等において、膝を曲げた際に膝ジョイント部材１０３の第１の渦巻きばね部材１１０及び第２の渦巻きばね部材１１１が巻き込まれて弾性エネルギが保存され、膝を伸ばす際にその保存された弾性エネルギが放出されて膝を伸ばす方向に膝ジョイント部材１０３が付勢されるので、膝を伸ばす動作が補助され、膝を伸ばす動作が楽になる。また、膝ジョイント部材１０３が、互いに異なる位置にある２つの支点を中心として回動自在に大腿アーム部材１０１及び下腿アーム部材１０２を連結しているので、ほぼ１８０度となるように膝を曲げて正座する際にもこの膝の部分を自由に屈曲することができる。 First, when the knee is bent during normal walking movement, uphill / downhill movement, up / down movement of stairs, hard work, sitting on a chair and rising from a chair, and normal sitting movement, the knee joint member 103 The first spiral spring member 110 and the second spiral spring member 111 are wound to store elastic energy, and when the knee is stretched, the stored elastic energy is released and the knee joint member 103 extends in the direction of stretching the knee. Since it is biased, the operation of extending the knee is assisted, and the operation of extending the knee becomes easier. Further, since the knee joint member 103 connects the thigh arm member 101 and the crus arm member 102 so as to be rotatable around two fulcrums at different positions, the knee is bent so that it is approximately 180 degrees. The knee can be flexed freely even when sitting straight.
さらに、椅子への座り及び椅子からの立ち上がり動作、正座動作、おじぎ動作、並びに荷物の持ち上げ動作等において、腰を曲げた際に股ジョイント部材１０９の渦巻きばね部材１１３が巻き込まれて弾性エネルギが保存され、腰を伸ばす際にその保存された弾性エネルギが放出されて腰を伸ばす方向に股ジョイント部材１０９が付勢されるので、腰を伸ばす動作が補助され、楽に立ち上がることができる。 Furthermore, the spiral spring member 113 of the crotch joint member 109 is wound and the elastic energy is preserved when the waist is bent during sitting on the chair, standing up from the chair, sitting on the chair, bowing, and lifting the luggage. Then, when the waist is stretched, the stored elastic energy is released and the crotch joint member 109 is urged in the direction of stretching the waist, so that the motion of stretching the waist is assisted, and it is possible to stand up easily.
さらにまた、手で荷物を持つ等の際に、肘ジョイント部材２０３のラチェット機構２０５により前腕アーム部材２０２が折り曲げる方向にのみ回動し、その任意の回動位置において逆方向への回動が阻止される。即ち、前腕アーム部材２０２の折り曲げを任意の角度で固定することができ、重い荷物を抱えたままでも同じ姿勢を長時間容易に維持することができる。 Furthermore, when holding the baggage by hand, the ratchet mechanism 205 of the elbow joint member 203 rotates only in the direction in which the forearm arm member 202 is bent, and the rotation in the reverse direction is prevented at any rotation position. Is done. That is, the bending of the forearm arm member 202 can be fixed at an arbitrary angle, and the same posture can be easily maintained for a long time while holding a heavy load.
さらに、肩ジョイント部材２０８のラチェット機構２０９により上腕アーム部材２０１を前及び上方向に曲げる方向にのみ回動し、その任意の回動位置において逆方向への回動が阻止される。即ち、上腕アーム部材２０１の曲げを任意の角度で固定することができ、この点からも、重い荷物を抱えたままでも同じ姿勢を長時間容易に維持することができる。 Further, the ratchet mechanism 209 of the shoulder joint member 208 rotates the upper arm arm member 201 only in the direction in which it is bent forward and upward, and the rotation in the reverse direction is prevented at the arbitrary rotation position. That is, the bending of the upper arm member 201 can be fixed at an arbitrary angle, and from this point, the same posture can be easily maintained for a long time while holding a heavy load.
また、使用時に人体全体にかかる負荷が下肢外骨格部１００を伝わって最終的に足フレーム１０７から逃げるように構成されていると共に、松葉杖のように脇アーム１１５で支えられるため、装着者がその負荷を体感することはほとんどない。従って、重量物を持ったまま移動する場合にも、非常に楽に歩くことができる。また、疲れた際には、この補助装置に乗りかかることができるため、長時間の作業に耐えることが可能である。 In addition, since the load applied to the entire human body during use is transmitted through the lower limb exoskeleton 100 and finally escapes from the foot frame 107, and is supported by the side arm 115 like a crutch, the wearer can There is little to experience the load. Therefore, even when moving with a heavy object, it is possible to walk very easily. In addition, when tired, it is possible to ride on this auxiliary device, so it is possible to withstand long-time work.
特に本実施形態の装着型筋力補助装置は、駆動源やこれを付勢するための電気エネルギ源や空気圧エネルギ源無しに筋力を補助できるので、構造が簡単であると共に軽量であり、しかも安価に製造することができる。 In particular, the wearable muscle strength assisting device of the present embodiment can assist muscle strength without a drive source, an electrical energy source for energizing it, or a pneumatic energy source, so that the structure is simple, lightweight, and inexpensive. Can be manufactured.
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。 All the embodiments described above are illustrative of the present invention and are not intended to be limiting, and the present invention can be implemented in other various modifications and changes. Therefore, the scope of the present invention is defined only by the claims and their equivalents.
日常生活や健康増進のための補助具として、老人や病気によって筋力の弱った方の介護補助具として、身体障害者の介護補助具として、車椅子の代わりの補助具として、さらには、宇宙の無重力空間における筋力トレーニング具としても利用可能である。 As an aid for daily life and health promotion, as a care aid for those with weak muscles due to the elderly and illness, as a care aid for the disabled, as a substitute for a wheelchair, and in the space weightlessness It can also be used as a strength training tool in space.
１００ 下肢外骨格部
１０１ 大腿アーム部材
１０１ａ、１０２ａ 回動軸
１０１ｂ、１０２ｂ ストッパ
１０２ 下腿アーム部材
１０３ 膝ジョイント部材
１０３ａ 第１の固定軸
１０３ｂ 第２の固定軸
１０３ｃ、１０６ｃ つなぎ部
１０４ 内大腿アーム部材
１０５ 内下腿アーム部材
１０６ 内膝ジョイント部材
１０７ 足フレーム
１０８ａ、１０８ｂ パイプ
１０９ 股ジョイント部材
１１０ 第１の渦巻きばね部材
１１０ａ、１１１ａ、１１３ａ 中央端
１１０ｂ、１１１ｂ、１１３ｂ 外側端
１１１ 第２の渦巻きばね部材
１１２ 骨盤部材
１１２ａ 固定軸
１１３ 渦巻きばね部材
１１４ 腰ベルト
１１５ 脇アーム部材
１１５ａ 上端部
２００ 上肢外骨格部
２０１ 上腕アーム部材
２０２ 前腕アーム部材
２０３ 肘ジョイント部材
２０４ 前腕支持部
２０５、２０９ ラチェット機構
２０５ａ、２０９ａ ラチェット歯車
２０５ｂ、２０９ｂ 爪
２０５ｃ、２０９ｃ コイルばね部材
２０６ 上腕内蝶板部材
２０７ 肩甲骨部材
２０８ 肩ジョイント部材
２１０ 横方向回動機構
２１０ａ 支持軸
２１０ｂ 軸孔
２１０ｃ 回動部材
２１１ 帯部材
２１２ 肩ベルト
２１３ 蝶板部材
２１４ 止め金部材
４０１、４０２、４０３、４０４、４０５ 万能ベルト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Lower limb exoskeleton part 101 Thigh arm member 101a, 102a Rotating shaft 101b, 102b Stopper 102 Lower leg arm member 103 Knee joint member 103a 1st fixed shaft 103b 2nd fixed shaft 103c, 106c Connecting part 104 Inner thigh arm member 105 Inner leg arm member 106 Inner knee joint member 107 Foot frame 108a, 108b Pipe 109 Crotch joint member 110 First spiral spring member 110a, 111a, 113a Central end 110b, 111b, 113b Outer end 111 Second spiral spring member 112 Pelvis Member 112a Fixed shaft 113 Spiral spring member 114 Lumbar belt 115 Side arm member 115a Upper end 200 Upper extremity exoskeleton 201 Upper arm member 202 Forearm arm member 203 Elbow joint member 204 Arm support portion 205, 209 Ratchet mechanism 205a, 209a Ratchet gear 205b, 209b Claw 205c, 209c Coil spring member 206 Upper arm inner butterfly plate member 207 Scapula member 208 Shoulder joint member 210 Lateral rotation mechanism 210a Support shaft 210b Shaft hole 210c Rotating member 211 Band member 212 Shoulder belt 213 Butterfly plate member 214 Clasp member 401, 402, 403, 404, 405 Universal belt
Claims (8)
該外骨格部が、人体の複数の骨位置と対応する位置にそれぞれ配置される複数の骨部材と、人体の複数の関節位置と対応する位置にそれぞれ配置されており、各々が前記複数の骨部材のうちの２つを連結する複数の第１の回動ジョイント部材とを備えており、
前記複数の第１の回動ジョイント部材の各々が、連結された前記２つの骨部材を回動自在に支承する支点と、該２つの骨部材間の角度が減少する際に弾性エネルギを保存し、該角度が増大する際に該弾性エネルギを放出するばね部材とを備えていることを特徴とする装着型筋力補助装置。 It has an exoskeleton part that is attached and fixed to the human body,
The exoskeleton is disposed at a plurality of bone members respectively disposed at positions corresponding to a plurality of bone positions of the human body, and at a position corresponding to a plurality of joint positions of the human body, each of the plurality of bones A plurality of first rotating joint members connecting two of the members,
Each of the plurality of first rotary joint members stores elastic energy when the angle between the two bone members and a fulcrum that rotatably supports the two bone members connected to each other decreases. And a spring member that releases the elastic energy when the angle increases.
該複数の第２の回動ジョイント部材の各々が、連結された前記２つの骨部材間の回動を一方向に制限可能なラチェット機構を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装着型筋力補助装置。 The exoskeleton portion is disposed at a position corresponding to a plurality of joint positions of the human body, and each further includes a plurality of second rotating joint members that connect two of the plurality of bone members. And
6. The ratchet mechanism according to claim 1, wherein each of the plurality of second rotation joint members includes a ratchet mechanism capable of restricting rotation between the two bone members connected in one direction. The wearable muscle strength assisting device according to any one of the preceding claims.
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