JP2015134149A - 負荷算出装置、補助具、負荷算出方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】上記装置は、脊椎全体を剛体とみなして圧迫力を算出しているので、５つの腰椎のそれぞれにかかる負荷を測定できず、結果的に腰椎への負荷を正確に算出できない、という課題があった。【解決手段】負荷算出装置であって、使用者における複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを取得する位置取得部と、前記位置取得部により取得された前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに基づいて、前記複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷を算出して出力する圧迫力算出部とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、負荷算出装置、補助具、負荷算出方法およびプログラムに関する。

上体を剛体と仮定して、上体に付けた加速度センサで上体の傾きを算出し、腰椎の椎間板に発生する圧迫力を取得する腰痛予防装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
［特許文献］特開２０１２−１８３２９１

上記装置は、脊椎全体を剛体とみなして圧迫力を算出しているので、５つの腰椎のそれぞれにかかる負荷を測定できず、結果的に腰椎への負荷を正確に算出できない、という課題があった。

本発明の態様における負荷算出装置は、人体における複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを取得する位置取得部と、位置取得部により取得された複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに基づいて、複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷を算出して出力する負荷算出部とを備える。

本発明の第二の態様における補助具は、負荷算出装置と、使用者に補助力を付与するアクチュエータと、アクチュエータを制御する制御部とを備え、制御部は、負荷算出部によって算出された腰椎のそれぞれにかかる負荷に基づいてアクチュエータを制御する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

使用者に装着された本実施形態に係る補助具の正面図を示す。 使用者に装着された補助具の背面図を示す。 補助具の機能ブロック図を示す。 腰椎と加速度センサと曲げセンサとの位置関係を説明する断面図である。 曲げセンサによる表皮の曲率の検出を説明する図である。 腰椎の位置の算出方法を説明する図である。 腰椎の位置の他の算出方法を説明する図である。 使用者３０の上体の重心を説明する図である それぞれの腰椎にかかる負荷を説明する図である。 腰椎にかかる負荷を算出する処理のフローチャートを説明する図である。 腰椎にかかる負荷を算出する他の処理のフローチャートを説明する図である。 腰椎にかかる他の負荷を説明する図である。 他の補助具の背面図を示す。 別の補助具１００の断面図である。 使用者３０が前屈運動をした場合における補助具１００の断面図である 腰椎位置および向きの補正方法を説明する図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、使用者３０に装着された本実施形態に係る補助具１０の正面図を示す。また、図２は、使用者３０に装着された補助具１０の背面図を示す。なお、図１および図２において、図中左上に示したように、矢印で示す上下左右を補助具１０の上下左右方法とする。図１および図２を用いて、負荷算出装置を内蔵した補助具１０について説明する。

補助具１０は、衣服部１２と、アクチュエータ１４と、制御部１６と、負荷測定部１８とを有する。当該補助具１０は、外骨格型ではなく、使用者３０に装着されていない状態においてそれ自身では自立しない「ソフトな」補助具である。

衣服部１２は、伸縮性を有する布地部２０と、布地部２０よりも剛性が高い支持部２２と、ベルト２４とを有する。布地部２０は、伸縮可能な化学繊維等からなる。布地部２０は、使用者３０の上半身および下半身を、一定の束縛力で締め付けて密着する。これにより、布地部２０は、装着された状態では、使用者３０の身体に対してすべり難くなる。

支持部２２は、可撓性を有する樹脂製の板である。支持部２２は、使用者３０の腰部の位置であって、布地部２０の使用者３０と接する側の面に設けられている。支持部２２は、布地部２０に固定して設けられている。支持部２２は、使用者３０の腰部を締め付けることで、使用者３０の腰部が曲がらないように支持する。

ベルト２４は、布地部２０および支持部２２の位置がずれないように、布地部２０および支持部２２を使用者３０に固定する。具体的には、布地部２０および支持部２２を挟んで、ベルト２４で使用者３０を締め付けることによって、布地部２０を使用者３０に固定する。これにより、使用者３０が動いたとしても、布地部２０および支持部２２の使用者３０に対する位置がずれることを防止できる。

アクチュエータ１４は、布地部２０の使用者３０と接しない側の面であって、使用者３０の前面の腹部に左右方向に沿って設けられている。アクチュエータ１４は弾性変形可能であって、帯状に形成されている。アクチュエータ１４は、全長に渡って、布地部２０に貼り付けられて密着している。

アクチュエータ１４は、電圧が印加されると伸縮する高分子材料を含む。アクチュエータ１４は、電圧が印加されると長手方向に伸縮する。アクチュエータ１４は、収縮することで使用者３０の腰部を締め付ける。

高分子材料の一例は、ポリロタキサン架橋体である。アクチュエータ１４は、平面状のポリロタキサン架橋体の両面を伸縮性の電極で挟んだシート部材を巻くことによって作製される。アクチュエータ１４は、柔軟性を有するので、着用した状態で歩行したときのユーザの違和感を低減できる。

高分子材料の他の例は、非イオン性ゲルである。この場合、アクチュエータ１４は、一対の外側電極と、一対の外側電極の間に配置されたメッシュ状のメッシュ電極と、メッシュ電極と各外側電極との間に設けられた非イオン性ゲルとを有する。非イオン性ゲルの一例は、ジメチルスルホキシドを溶媒とするポリビニルアルコールのゲルである。このアクチュエータ１４では、メッシュ電極に外側電極よりも高い電圧を印加すると、外側電極から非イオン性ゲルに負電荷が注入されて、メッシュ電極に引き寄せられる。この結果、一対の外側電極間の距離が収縮する。逆に電圧の印加を停止すると、非イオン性ゲルの弾性力によって、元の状態に戻って伸長する。この外側電極、メッシュ電極及び非イオン性ゲルの組み合わせを複数積層することによって、伸縮量を増加させることができる。

高分子材料の他の例は、ポリピロール膜である。電解液中に浸漬されたポリピロール膜は、電圧が印加されることにより、膨張または収縮する。例えば、正の電圧が印加されると、ポリピロール膜は膨張する。負の電圧が印加されると、ポリピロール膜は収縮する。アクチュエータ１４は、ポリピロール膜を含む場合、電解液が必要となるので、アクチュエータ１４を封止する必要がある。

アクチュエータ１４の布地部２０を挟んだ反対側には、支持部２２が設けられている。したがって、アクチュエータ１４は、収縮することによって、布地部２０を介して、支持部２２で使用者３０の腰部を締め付ける。また、アクチュエータ１４は、伸長することによって、使用者３０の腰部の締め付けを解放できる。なお、アクチュエータ１４が電圧を印加すると伸長する場合においては、電圧の印加を解除した場合に、アクチュエータ１４が使用者３０の腰部を締め付ける構成としてもよい。

制御部１６は、アクチュエータ１４の動作を制御する。制御部１６は、例えば、印加する電圧の大きさにより、伸縮量が変化するアクチュエータである場合に、アクチュエータに印加する印加電圧の大きさを制御して、アクチュエータの伸縮量を制御する。

負荷測定部１８は、コントローラ２６と、加速度センサ２７と、複数の曲げセンサ２８と、演算部４６とを有する。コントローラ２６は、報知部４０と、表示部４２と、入力部４４とを有する。報知部４０は、使用者３０に警告を報知する。報知部４０は、例えば、使用者３０に対して音、光、または電気的な刺激を与えて警告を報知する。表示部４２は、使用者３０に画像を表示する。例えば、補助具１０が、使用者３０が疲れていることを検知した場合に、表示部４２は、疲れない姿勢を表示した画像を使用者３０に表示する。入力部４４は、使用者３０からの入力、例えば当該使用者３０の体重の入力を受け付ける。例えば、また、使用者３０に外部から加えられている荷重を考慮して、それぞれの腰椎の負荷を算出する場合においては、入力部４４は、当該荷重を示す荷重情報の入力を受け付ける。なお、図１および図２に示した例においては、コントローラ２６は、演算部４６と有線で接続される例を示したが、コントローラ２６は、無線で演算部４６と通信してもよく、さらに、コントローラ２６に代えて、スマートフォンやタブレット等の携帯端末をコントローラ２６として用いてもよい。

加速度センサ２７は、布地部２０上であって、使用者３０の仙骨対応位置に設けられている。使用者３０の仙骨対応位置とは、使用者３０の表皮から伸ばした法線が仙骨に到達するような、表皮位置である。また、加速度センサ２７の取り付け向きは、使用者３０の表皮に平行となるように設けられている。したがって、重力方向に対する加速度センサ２７の向きを検出することによって、重力方向に対する使用者３０の仙骨の向きが特定できる。加速度センサ２７の一例は、三軸の加速度センサである。

複数の曲げセンサ２８は、布地部２０上であって、加速度センサ２７が取り付けられた位置を下端として、上方に、使用者３０の腰部の表皮に沿って設けられている。複数の曲げセンサ２８は、使用者３０の腰部の表皮の曲率を検出する。これにより、使用者３０の表皮形状を検出できる。本実施形態において曲げセンサ２８は３枚用いられる。加速度センサ２７と複数の曲げセンサ２８の一部は、ベルト２４に接続している。したがって、ベルト２４が使用者３０に固定されることによって、使用者３０が動いたとしても、加速度センサ２７と複数の曲げセンサ２８の使用者３０に対する位置がずれるのを防ぐことができる。

演算部４６は、加速度センサ２７および複数の曲げセンサ２８から検出値を取得する。演算部４６は、取得した検出値から、使用者３０のそれぞれの腰椎の位置を算出する。また、演算部４６は、それぞれの腰椎にかかる負荷を算出して、算出した負荷を示す信号を制御部１６に出力する。

図３は、補助具１０の機能ブロック図を示す。補助具１０は、腰椎の負荷を測定する負荷測定部１８と、アクチュエータ１４を制御する制御部１６と、使用者３０に補助力を付与するアクチュエータ１４とを備える。

負荷測定部１８は、コントローラ２６と、加速度センサ２７と、複数の曲げセンサ２８と、それぞれの腰椎にかかる負荷を算出する演算部４６とを有する。演算部４６は負荷算出装置として機能する。コントローラ２６は、報知部４０と、表示部４２と、入力部４４とを有する。

加速度センサ２７は、重力方向に対する使用者３０の上体の傾斜角度を検出して、当該上体の傾斜角度を示す信号を演算部４６に出力する。複数の曲げセンサ２８は、使用者３０の腰部における表皮３３の曲率を検出して、当該腰部における表皮曲率を示す信号を演算部４６に出力する。

演算部４６は、記憶部４８と、位置取得部５０と、負荷算出部５２を有する。記憶部４８は、複数の腰椎のそれぞれの位置を算出するのに用いる位置算出情報を記録している。また、記憶部４８は、それぞれの腰椎の負荷を算出するのに用いる負荷情報を記録している。さらに記憶部４８は、負荷に対応した印加電圧を特定するのに用いる電圧特定情報を記録している。

位置取得部５０は、複数の曲げセンサ２８から、使用者３０の腰部における表皮３３の曲率を示す信号を取得する。また、位置取得部５０は、加速度センサ２７から使用者３０の上体の傾斜角度を示す信号を取得する。そして、位置取得部５０は、使用者３０の腰部における表皮の曲率と、使用者３０の上体における傾斜角度とから、複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを算出する。

負荷算出部５２は、複数の腰椎の位置および向きにおける使用者３０の上体の質量の分力と、上体の質量により生じる回転モーメントに対抗する筋力との合力により、複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷を算出する。また、負荷算出部５２は、算出したそれぞれの腰椎にかかる負荷が、予め定められた閾値を越えた場合に、報知部４０に警告を報知させる。また、負荷算出部５２は、算出したそれぞれの腰椎にかかる負荷が、予め定められた閾値を越えた場合に、表示部４２に腰椎にかかる負荷が低減するような姿勢を表示させる。また、負荷算出部５２は、算出した腰椎にかかる負荷に対応した締め付け力を発生させる印加電圧値を示す信号を制御部に出力する。

制御部１６は、負荷算出部５２によって算出された複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷に基づいてアクチュエータ１４を制御する。具体的には、負荷算出部５２から、腰椎にかかる負荷に対応した印加電圧値を取得すると、制御部１６は、取得した印加電圧値に対応した電圧をアクチュエータ１４に印加する。これにより、アクチュエータ１４は収縮して、負荷算出部５２により算出された複数の腰椎にかかる負荷に対応した締め付け力で、使用者３０の腰部を締め付けることができる。

制御部１６は、電源スイッチ５４と、調整部５６と、電源部５８とを有する。電源スイッチ５４によって、使用者３０は、補助具１０の主電源のオン・オフを切り替える。電源部５８は、アクチュエータ１４に電圧を印加する。調整部５６は、負荷算出部５２から取得した電圧に対応した電圧をアクチュエータ１４に印加するべく、電源部５８の印加電圧を調整する。

図４は、腰椎と加速度センサと曲げセンサとの位置関係を説明する断面図である。図４を用いて、加速度センサ２７および複数の曲げセンサ２８の出力から、仙骨およびそれぞれの腰椎位置の算出方法について説明する。

曲げセンサ２８は、使用者３０の背側の表皮３３に沿って設けられている。曲げセンサ２８は、三枚の曲げセンサ６０、６２、６４を有する。そして曲げセンサ６０の下端と、曲げセンサ６２の上端の一部が重なって設けられ、曲げセンサ６２の下端と、曲げセンサ６４の上端が重なって設けられている。

図５は、曲げセンサによる表皮の曲率の検出を説明する図である。図５に示すように、曲げセンサ６０の下半分は、曲げセンサ６２の上半分と重なっており、曲げセンサ６２の下半分は、曲げセンサ６４の上半分と重なっている。そして、曲げセンサ６０、６２、６４は、それぞれの曲げセンサにおける平均の曲率に関する信号をそれぞれ１つ出力する。

この場合において、曲げセンサ６０の上半分の曲率をρ１、下半分の曲率をρ２、曲げセンサ６４の上半分の曲率をρ３、曲げセンサ６４の下半分の曲率をρ４とする。また、曲げセンサ６０が出力する曲率をρＳ１、曲げセンサ６２が出力する曲率をρＳ２、曲げセンサ６４が出力する曲率をρＳ３とする。

近似的な計算をすべく、曲げセンサ６０の曲率を一定（ρ１＝ρ２）として、ρ３とρ４を算出する。同様に曲げセンサ６４の曲率を一定（ρ３＝ρ４）として、ρ１とρ２を算出する。そしてこれらの平均を算出することで、図５に示したように、三個の曲げセンサ６０の検出した曲率ρＳ1、曲げセンサ６２の検出した曲率ρＳ２、曲げセンサ６４の検出した曲率ρＳ３から、近似的に使用者３０の腰部の表皮３３における４カ所の領域の曲率を算出できる。

複数の曲げセンサ２８の下端には、加速度センサ２７が設けられており、且つ、加速度センサ２７は、表皮３３の法線方向に仙骨３４がある位置に設けられている。ここで、表皮３３から仙骨３４および表皮３３から第１から第５腰椎までの距離は、使用者の上体の傾斜角度に関わらず、統計的に一定距離に近似できる。また、仙骨から第５腰椎３５の距離と、第５腰椎３５から第４腰椎３６の距離、第４腰椎３６から第３腰椎３７までの距離、第３腰椎３７から第２腰椎３８までの距離、第２腰椎３８から第１腰椎３９までの距離も、使用者３０の上体の傾斜角度に関わらず、統計的に予め定められた距離に近似できる。

そこで、表皮３３から仙骨３４およびそれぞれの腰椎までの距離をｄとする。すると、加速度センサ２７の位置を基準として、仙骨３４は、加速度センサ２７の位置の表皮３３の接線に対する法線方向にｄ離れた位置にある。また、仙骨３４の長手方向の向きは、加速度センサ２７が設けられている位置における表皮３３の接線に対する法線方向に沿った向きとなるので、加速度センサ２７の位置および重力方向に対する向きを検出することで、仙骨の位置および重力方向に対する向きを算出できる。そして、それぞれの腰椎は、表皮３３から距離ｄ離れた位置に存在する。したがって、表皮３３の曲率から求められる表皮３３の形状を示す曲線７０に対し、半径方向にｄ離れた曲率から求められる曲線上に第１腰椎から第５腰椎は存在することになる。

図６は、腰椎の位置の算出方法を説明する図である。図６において、表皮３３の形状を示す曲線７０とすると、曲線７０に対して距離ｄを外側にオフセットした曲線７２上に、それぞれの腰椎が存在することになる。そして、加速度センサ２７は、曲線７０の下端Ｓ_０の位置に設けられている。したがって、加速度センサ２７の位置から曲線７０の接線に対する法線方向に伸びた直線と、腰椎が存在する曲線７２との交点に、仙骨３４が存在すると算出できる。

次に、仙骨３４から第５腰椎３５の距離をＬ_１、第５腰椎３５から第４腰椎３６の距離をＬ_２、第４腰椎３６から第３腰椎３７までの距離をＬ_３、第３腰椎３７から第２腰椎３８までの距離をＬ_４、第２腰椎３８から第１腰椎３９までの距離をＬ_５とする。すると、第５腰椎３５は、曲線７２と、仙骨３４を中心とした半径Ｌ_１の円との交点の位置にあると算出される。第５腰椎の長手方向の向きは、第５腰椎３５の位置であって、曲線７２法線方向に沿っていると算出される。同様に、第４腰椎３６は、曲線７２と、第５腰椎３５を中心とした半径Ｌ_２の円との交点の位置にあり、第４腰椎の長手方向の向きは、第４腰椎３６の位置であって、曲線７２の接線に対する法線方向に沿った向きと算出される。同様の方法で、第３腰椎３７の位置および向きと、第２腰椎３８の位置および向きと、第１腰椎３９の位置および向きがそれぞれ算出される。

上記方法は、加速度センサ２７をＳ_０の位置に設けた例について示したが、加速度センサ２７を曲線７０の上端のＳ_４に設けてもよい。この場合、複数の曲げセンサ２８の下端Ｓ_０すなわち複数の曲げセンサ２８のうち最も下に配置された曲げセンサ６４の下端が、接線に対する法線方向に仙骨３４がある位置となるように、複数の曲げセンサ２８を配置する。加速度センサ２７は、重力方向に対する向きを検出し、複数の曲げセンサ２８は、表皮３３の形状を示す曲率を検出する。ここで、複数の曲げセンサ２８の下端Ｓ_０の位置は、複数の曲げセンサ２８の長さから予め取得できるので、Ｓ_０の位置が算出できる。また、Ｓ_０の向きは、加速度センサ２７と複数の曲げセンサ２８から算出できるので、Ｓ_０の位置および重力方向に対する向きが算出できる。Ｓ_０の位置および向きが算出できれば、当該Ｓ_０の位置および向き基準として、仙骨３４の位置および向きが算出できる。そして、仙骨３４の位置および向きを基準として、それぞれの腰椎の位置および向きは、上述した同様の方法で算出できる。このように、加速度センサ２７は、図６に示した例においては、Ｓ_０に設けてもよく、また、複数の曲げセンサ２８の上端Ｓ₄すなわち複数の曲げセンサ２８のうち最も上に配置された曲げセンサ６０の上端に設けてもよい。なお、複数の曲げセンサ２８における加速度センサ２７を設ける位置を予め測定しておくことで、加速度センサ２７を、複数の曲げセンサ２８上のどのような位置に設けてもよい。また、複数の曲げセンサ２８に対する加速度センサ２７の位置を予め測定しておくことで、加速度センサ２７を、上端Ｓ₄の上方の位置及または下端Ｓ₀の下方の位置に設けてもよい。このように、補助具１０は、使用者３０の腰部の表皮３３に加速度センサ２７および複数の曲げセンサ２８を設けることによって、使用者３０のそれぞれの腰椎の位置および向きを算出できる。また、上記方法では、Ｌ_１からＬ_５がそれぞれ直線距離である例を示したが、これに代えて、Ｌ_１からＬ_５を曲線７２に沿った弧の長さとして各腰椎の位置を算出してもよい。この場合、θ＝Ｌ／Ｒから隣接する腰椎の位置を算出することができる。

図７は、腰椎の位置の他の算出方法を説明する図である。図６に示した例においては、表皮３３から仙骨３４およびそれぞれの腰椎までの距離を一定と近似して、それぞれの腰椎の位置および向きを算出したが、実際は、上体の傾斜角度により表皮３３からそれぞれの腰椎までの距離は若干異なる。したがって、図７に示した例においては、使用者３０の上体の傾斜角度により、表皮３３からそれぞれの腰椎までの距離がそれぞれ異なるとして、より精度高く、腰椎の位置および向きを算出する。

図７に示した例において、まず、加速度センサ２７を用いて使用者３０の上体の傾斜を測定する。加速度センサ２７により検出された使用者３０の上体の傾斜角度から、表皮３３から仙骨３４および表皮３３からそれぞれの腰椎までの距離を算出する。なお、上体の傾斜角度と、表皮３３から仙骨３４およびそれぞれの腰椎までの距離との関係は、予め統計的なデータから算出された関係式により算出する。なお、当該関係式は、記憶部４８に記録されている。

図７において、表皮３３から仙骨３４の距離をｄ_０、表皮３３から第５腰椎３５の距離をｄ_１、表皮３３から第４腰椎３６の距離をｄ_２とする。Ｓ_０の位置および向きは、上述した方法で算出できるので、Ｓ_０の接線に対する法線方向へ、距離ｄ_０離れた位置に仙骨３４があると算出できる。一方、仙骨３４と第５腰椎３５の距離およびそれぞれの腰椎間の距離は、上体の傾斜角度によらず一定であることが知られている。したがって、第５腰椎３５の位置は、算出された仙骨３４の位置を中心とした半径Ｌ_１の円と、表皮３３の形状を示す曲線７０に対して、距離ｄ_１外側にオフセットした曲線との交点と算出できる。また、第５腰椎３５の長手方向の向きは、算出された第５腰椎３５の位置における、表皮３３の曲線から距離ｄ_１オフセットした曲線の接線に対する法線方向と算出できる。

同様に、第４腰椎３６は、第５腰椎３５を中心とした半径Ｌ_２の円と、表皮３３の形状を示す曲線７０に対して、距離ｄ_２外側にオフセットした曲線との交点と算出できる。また、第４腰椎３６の長手方向の向きは、第４腰椎３６の位置における、表皮３３の曲線から距離ｄ２オフセットした曲線の接線に対する法線方向と算出できる。同様にして、第３腰椎３７、第２腰椎３８、第１腰椎３９の位置および向きが算出できる。このように、使用者３０の上体の傾斜角度により、表皮３３からそれぞれの腰椎までの距離を変えて、それぞれの腰椎位置および向きを算出することによって、精度の高い腰椎位置および向きの算出が行える。

なお、図７に示した例においては、使用者３０の上体の直立状態に対する傾斜角度により、表皮３３から仙骨およびそれぞれの腰椎までの距離が定まる。したがって、上体の直立状態からの傾斜角度を検出する必要がある。そのため、使用者３０が直立状態のときの加速度センサ２７の位置を初期位置とする。または、使用者３０が直立状態のときに加速度センサ２７を使用者３０に取り付けてもよい。これにより、加速度センサ２７の初期出力値に対する傾斜後の出力値を比較することで、直立状態に対する傾斜角度を算出できる。なお、使用者３０ごとに複数の曲げセンサ２８を取り付けた状態で、レントゲン撮影を行いながら直立状態を確認し、当該直立状態における複数の曲げセンサ２８の出力値を記憶部４８に記録してもよい。また、上体の重心の位置が骨盤の上方に位置した状態すなわち骨盤に体重がのった状態が使用者３０が最も楽な姿勢であるため、使用者３０が楽だと思える姿勢を直立状態としてもよい。そして、複数の曲げセンサ２８の出力値を、直立状態における複数の曲げセンサの出力値と比較することで、使用者３０が直立状態であるか否かを判断してもよい。

図８は、使用者３０の上体の重心を説明する図である。使用者３０の上体が直立状態にある場合に、上体の質量の重心は、仙骨３４から鉛直上方の予め定められた位置あるとする。なお、予め定められた位置は、例えば、使用者３０の身長に対する頭部から上半身の重心位置までの長さの割合が２３〜２７％となる位置である。また、第１腰椎３９の直上の胸郭を剛体としているため、重心位置は、第１腰椎３９を中心とした座標系に対して不変である。

図９は、それぞれの腰椎にかかる負荷を説明する図である。図９を用いて、１つの腰椎にかかる負荷の算出方法を説明する。腰椎の座標系と、重心位置が図８で定義した場所にある場合に、重心重さＧによって使用者３０の腰椎を圧縮する方向にかかる分力をＰｎ、使用者３０の上体の質量によって生じる回転モーメントに対抗する筋力により腰椎にかかるトルクをτｎとする。ここで、体重Ｗ（ｋｇ）の上体重心の質量は、体重の５４．８％であることが統計的に知られているので、重心重さをｍとすると、ｍは、０．５４８Ｗとなる。また、重力加速度をｇ（ｋｇ・ｍｍ／ｓ^２）とし、腰椎座標系の原点と、重心位置座標との距離をＤ（ｍｍ）とする。ここでｎは、腰椎の番号を示す。

上記値を用いて、Ｐｎはｍ・ｇ・ｃоｓ（θ_Ｂ）と表すことができる。また、τｎは、ｍ・ｇ・Ｄｃоｓ（θ_Ａ）と表すことができる。また、重心重さＧによって、腰椎座標系Ｘ軸（腰椎に対して横向き）にかかるせん断力をＳＨ_ｎとすると、せん断力ＳＨ_ｎはｍ・ｇ・ｓｉｎ（θ_Ｂ）と表すことができる。

さらに、τ_ｎを算出するにあたり、上体を起こす力を発揮する脊柱起立筋に注目する。脊柱起立筋は、皮膚外側から内側に向かって腸助筋、最長筋、棘筋といった筋群によって成り立っている筋肉であり、最長筋のうち胸最長筋と呼ばれる筋群が仙骨および腰椎棘突起に付着している。したがって、腰椎座標系に働いているトルクτ_ｎに関して、ここでは、脊柱起立筋がそのトルクを保証する力を出しており、その筋トルクは腰椎を圧迫する力を出していると考える。ここで脊柱起立筋のモーメントアームを５０（ｍｍ）とすると、腰椎を圧迫する力τ_ｎは、τ_ｎ／５０となる。

また、重心位置座標と、腰椎座標系原点のＺ軸方向の距離をｌＧ_ｎ、重心Ｇから仙骨３４までの距離をｌＧ_７とすると、注目している腰椎より下側の重量は負荷とならないことを考慮して、全体の強力Ｆ_ｎにｌＧ_ｎ／ｌＧ_７を係数として乗じる。これにより、それぞれの腰椎を圧迫する負荷Ｆ_ｎは、ｌＧ_ｎ／ｌＧ_７（τｎ／５０＋Ｐｎ）と算出できる。

第１腰椎３９の座標系に対して重心位置が不変であることから、それぞれの腰椎の位置および向きが算出できれば、それぞれの腰椎を圧迫する力Ｆ_ｎを算出することができる。また、同様に、それぞれの腰椎を長手方向にせん断するせん断力ＳＨ_ｎも算出することができる。せん断力ＳＨ_ｎは、腰椎の診断等に用いてもよい。また、上記の例では、使用者３０が前屈したときの腰椎への負荷を算出した例を示したが、使用者３０が後屈したときの腰椎への負荷も同様に算出することができる。この場合、τ_ｎを算出するにあたり、腹直筋、外腹斜筋、内腹斜筋等の腹筋群に注目する。

図１０は、腰椎にかかる負荷を算出する処理のフローチャートを説明する図である。図１０に示したフローチャートは、表皮３３から仙骨３４およびそれぞれの腰椎までの距離が一定である場合の腰椎にかかる負荷を算出するフローチャートである。腰椎にかかる負荷を算出する処理は、位置取得部５０が、加速度センサ２７および複数の曲げセンサ２８からの検出値を取得することで開始する（Ｓ１０１）。

位置取得部５０は、加速度センサ２７の検出値、複数の曲げセンサ２８の検出値を取得して、表皮３３の形状を示す曲線７０を算出する（Ｓ１０２）。なお、この場合において、位置取得部５０は、図５に示した方法で、３つの曲げセンサの出力から４つの領域の曲率を算出してもよい。位置取得部５０は、記憶部４８から表皮３３から仙骨３４の距離情報を読み出す（Ｓ１０３）。加速度センサ２７は、表皮３３の形状を示す曲線７０の接線に対する法線方向に仙骨３４がある位置に設けられているので、位置取得部５０は、加速度センサ２７の位置と、表皮３３から仙骨３４までの距離から、仙骨３４の位置を特定する（Ｓ１０４）。

表皮３３から仙骨３４までの距離と、表皮３３からそれぞれの腰椎までの距離は一定であるので、位置取得部５０は、読み出した表皮３３から仙骨３４の距離情報から、腰椎位置を示す曲線７２を算出する（Ｓ１０５）。位置取得部５０は、記憶部４８から仙骨３４から第５腰椎３５の距離、およびそれぞれの腰椎間の距離情報を読み出す（Ｓ１０６）。なお、記憶部４８には、予め、仙骨３４から第５腰椎までの距離Ｌ_１、第５腰椎から第４腰椎までの距離Ｌ_２、第４腰椎から第３腰椎までの距離Ｌ_３、第３腰椎から第２腰椎までの距離Ｌ_４、第２腰椎から第１腰椎までの距離Ｌ_５に関する情報がそれぞれ記録されている。なお、これらＬ_１からＬ_５は、性別および／または年齢別に分けて複数の組が記憶部４８に記録されており、位置取得部５０は、使用者３０の性別、年齢によって読み出す距離情報を変えてもよい。なお、ステップＳ１０３で読み出した表皮３３から仙骨３４の距離情報、および、ステップＳ１０６で読み出した仙骨３４から第５腰椎３５の距離（Ｌ_１）、およびそれぞれの腰椎間の距離情報（Ｌ_２からＬ_５）は、腰椎の位置を算出するために用いる位置算出情報である。

位置取得部５０は、Ｌ_１からＬ_５に関する情報を用いて、腰椎位置を特定する（Ｓ１０７）。位置取得部５０は、算出した腰椎位置を示す曲線７２を参照して、仙骨を中心とした半径Ｌ_１の円と、腰椎位置を示す曲線７２との交点を第５腰椎３５の位置と特定する。同様に、腰椎位置を示す曲線７２と第５腰椎３５の中心とした半径Ｌ_２の円との交点を第４腰椎３６の位置と特定する。このように順番にそれぞれの腰椎の位置を特定する。

次に位置取得部５０は、腰椎位置を示す曲線７２とそれぞれの腰椎の位置からそれぞれの腰椎の向きを特定する（Ｓ１０７）。具体的には、位置取得部５０は、腰椎位置を示す曲線７２における各腰椎の位置での接線を作成し、当該接線に対して法線となる直線を算出する。位置取得部５０は、当該法線の向きをそれぞれの腰椎の長手方向の向きとして特定する。このようにして、位置取得部５０は、第５腰椎３５、第４腰椎３６、第３腰椎３７、第２腰椎３８、第１腰椎３９の位置および向きを特定して、負荷算出部５２に当該情報を出力する。

負荷算出部５２は、記憶部４８から使用者３０の体重情報を読み出す（Ｓ１０８）。使用者３０の体重は、使用者３０によって、入力部４４から入力されて記憶部４８に記録されている。負荷算出部５２は、負荷を算出する算出式Ｆ_ｎを読み出して、使用者３０の体重と、それぞれの腰椎の位置および向きから、それぞれの腰椎にかかる負荷を算出する（Ｓ１０９）。なお、ステップＳ１０８で読み出す体重情報およびステップＳ１０９で読み出す負荷を算出する算出式Ｆｎは、腰椎の負荷を算出するのに用いる負荷情報である。

負荷算出部５２は、算出したそれぞれの腰椎にかかる負荷に基づいて、アクチュエータ１４を駆動する電圧を特定する。記憶部４８には、腰椎にかかる負荷に対応したアクチュエータの締め付け力および当該締め付け力を発生させる印加電圧との関係式が予め測定されて記録されている。負荷算出部５２は、上記関係式を参照して、算出した負荷に対応したアクチュエータの締め付け力および印加電圧を特定する。負荷算出部５２は、特定した印加電圧値を示す信号を、調整部５６に出力する（Ｓ１１０）。なお、ステップＳ１１０で参照する腰椎にかかる負荷に対応したアクチュエータの締め付け力および当該締め付け力を発生させる印加電圧との関係式は、電圧特定情報である。

腰椎にかかる負荷を算出する処理は、負荷算出部５２が印加電圧値を示す信号を、調整部５６に出力することで終了する。なお、腰椎にかかる負荷を算出する処理は、予め定められた間隔で実行されてよく、当該時間は、使用者３０によって、入力部４４から入力されることによって定められてもよい。

また、印加電圧値を示す信号を取得した調整部５６は、電源部５８を通じて、アクチュエータ１４に取得した印加電圧値に対応した電圧を印加する。これによりアクチュエータ１４は収縮して、使用者３０の腰部を締め付ける。これにより、使用者３０の腰部は、アクチュエータ１４および支持部２２により支持され、腰椎の負荷が緩和される。さらに、腰椎のそれぞれにかかる負荷と、予め定められた負荷の閾値を越える大きな負荷が算出された場合に、使用者３０に警報を報知できる。

図１１は、腰椎にかかる負荷を算出する別の処理のフローチャートを説明する図である。図１１に示したフローチャートは、表皮３３から仙骨３４およびそれぞれの腰椎までの距離が使用者３０の上体の傾斜によって変わる場合の腰椎にかかる負荷を算出するフローチャートである。また、図１１に示した処理において、ステップＳ１０１、ステップＳ１０２、ステップＳ１０８、ステップＳ１０９およびステップＳ１１０の処理は、図１０に示した処理と同じなので、重複する説明を省略する。

位置取得部５０は、加速度センサ２７から使用者３０の上体の傾斜角度を示す信号を取得する（Ｓ２０１）。位置取得部５０は、記憶部４８から、上体の傾斜角度と、表皮３３から仙骨３４およびそれぞれの腰椎までの距離との関係式を読み出す（Ｓ２０２）。なお、記憶部には、予め、上体の傾斜角度と、表皮３３から仙骨３４およびそれぞれの腰椎までの距離との関係式が記録されている。位置取得部５０は、読み出した関係式と上体の傾斜角度から、Ｓ_０から仙骨３４までの距離を算出する。位置取得部５０は、曲げセンサの長さに関する情報と、加速度センサ２７の位置情報とから、Ｓ_０の位置を算出し、Ｓ０の位置情報と、Ｓ_０から仙骨３４までの距離から、仙骨３４の位置を特定する（Ｓ２０３）。なお、ステップＳ２０２で読み出す表皮３３から仙骨３４およびそれぞれの腰椎までの距離との関係式は、腰椎の位置を算出するために用いる位置算出情報である。

位置取得部５０は、読み出した関係式と上体の傾斜角度から、表皮３３からそれぞれの腰椎までの距離を算出する（Ｓ２０４）。位置取得部５０は、表皮３３の形状を示す曲線７０を、表皮３３から腰椎までの距離をオフセットした、それぞれの腰椎の位置に対応した曲線を算出する（Ｓ２０５）。

位置取得部５０は、記憶部４８から仙骨３４から第５腰椎３５の距離、およびそれぞれの腰椎間の距離情報（Ｌ_１〜Ｌ_５）を読み出す（Ｓ２０６）。位置取得部５０は、第５腰椎の位置に対応した曲線と、仙骨３４の位置を中心として、半径Ｌ_１とした円との交点を第５腰椎３５の位置として特定する（Ｓ２０７）。また、当該第５腰椎３５の位置における腰椎の位置に対応した曲線の接線に対する法線方向に沿った向きを当該腰椎の長手方向の向きと特定する（Ｓ２０８）。同様に、位置取得部５０は、第４腰椎３６、第３腰椎３７、第２腰椎３８、第１腰椎３９の位置および向きを特定する。

そしてその後は、図１０に示した処理と同様の処理が実行され、各腰椎にかかる負荷が算出される。このようにして、本実施形態に係る補助具１０は、それぞれの腰椎の位置および向きを特定して、それぞれの腰椎にかかる負荷を特定できる。

図１２は、腰椎にかかる他の負荷を説明する図である。図１２に示した例において、使用者３０は、荷物７４を持っている。荷物７４の重さをＭとすると、重心Ｇには、使用者３０の上体の重心の重さｍに対し、荷物７４の重さＭがさらに追加されることになる。このような場合において、使用者３０は、入力部４４から、荷物の荷重情報および腕の長さを入力することによって、補助具１０は、当該荷物の重さＭおよび使用者３０の腕の長さを考慮して、重心位置および重心の質量を調整できる。例えば、図１２に示した例においては、質量をｍからｍ＋Ｍに増加するとともに、重心位置を、荷物７４が腕にかけている重量の重心と、上体の重心の間であって、Ｍ：ｍに分けた位置に重心をずらして、それぞれの腰椎にかかる負荷を算出してもよい。

以上説明したように本実施形態に係る補助具１０は、使用者３０のそれぞれの腰椎にかかる負荷を測定し、算出した負荷に基づいて、アクチュエータ１４を制御する。例えば、強い負荷が算出された場合においては、アクチュエータ１４に高い電圧を印加して、使用者３０の腰部を強く締め付ける。これにより、使用者３０の腰部は支持部２２により強く支持され、負荷が緩和される。また、アクチュエータ１４を上下方向に複数並べ、最も強い負荷が算出された腰椎が強く締め付けられるように、アクチュエータ１４を制御してもよい。使用者３０の腰部を常に強く補助すると、使用者３０の腰部の筋力を逆に弱めることになる。したがって、このように、腰椎ごとに負荷を算出して、強い負荷が算出された腰椎を強く締め付けることによって、強い負荷が算出されていない腰椎も強く締め付けてしまうことを防止できる。

また、本実施形態に示した補助具１０は、報知部４０を備え、負荷算出部５２が予め定められた閾値より高い負荷を算出した場合に、負荷算出部５２は、報知部４０により、使用者３０に対して警報を報知させる。また、入力部４４から荷物７４の荷重情報が入力された場合において、使用者３０が荷物７４を持っていない場合においても、警報を報知する場合が考えられる。その対応として、例えば、使用者３０の腕部に筋電センサを設けてもよい。筋電センサを設けた場合において、当該筋電センサが筋肉の動きを検出しない場合においては、負荷算出部５２は、入力部４４から入力された荷物７４の荷重情報を加えることなく、それぞれの腰椎にかかる負荷を算出するとしてもよい。また、筋電センサを使用者３０の腰部に設けてもよい。この場合、使用者３０が荷物７４を持ったときと持っていないときとで使用者３０の姿勢が変化しなかったとしても、腰部の筋肉の動きを検出することにより、荷物７４を持ったことを検出することができる。

さらに、使用者３０の足裏に荷重センサを設けて、当該荷重センサによって、荷物７４の荷重を検出してもよい。これにより、実際に使用者３０が荷物を持っていない場合に警報を報知することがなく、さらに、使用者３０が入力部４４から入力する手間を省くことができる。

また、警報を報知する場合において、負荷算出部５２は、予め定められた閾値を越えた負荷が予め定められた時間継続して算出された場合に、使用者３０に対して警報を報知するとしてもよい。さらに、複数回警報を報知している場合においては、負荷算出部５２は、警告を報知した回数が多いほど、予め定められた時間を短く変更してもよい。なお、予め定められた負荷の閾値の一例は、３４００Ｎである。

さらに、予め定められた時間を短く変更した場合において、負荷算出部５２は、予め定められた時間継続して閾値を越える負荷が算出されなかった場合に、短く変更した時間をもとの時間に戻してもよい。また、短く変更した時間をもとの時間に戻す予め定められた時間は、使用者３０に入力部４４から疲れたときおよび疲れが回復したときに入力してもらうことで、疲れが回復するまでの時間を、使用者３０に対応させて、記憶部４８に記憶させてもよい。そして、短く変更した時間をもとの時間に戻す予め定められた時間を、使用者３０に対応させて記録された、疲れが回復するまでの時間を用いてもよい。なお、使用者３０からの入力に代えて、疲れが回復したか否かを、超音波センサを設け、筋肉の硬さを検出することによって判断してもよい。

また、負荷算出部５２は、使用者３０に対して報知部４０から警報を報知することに代えて、負荷算出部５２は、表示部４２から、それぞれの腰椎にかかる負荷を軽減する姿勢を表示させてもよい。これにより、負荷算出部５２は、使用者３０に腰椎にかかる負荷を軽減させる姿勢をとらせることができる。また、負荷算出部５２は、使用者３０の上体の重心に、上体の重量以外の外力が加えられる場合においては、負荷算出部５２は、当該外力に応じ姿勢を算出して、表示部４２に表示させてもよい。

図１３は、他の補助具８０の背面図を示す。図１３において、図１と共通の要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省略する。補助具８０は、背面に、腰部をまたぐように、２つのアクチュエータ８２が、上下方向に設けられている。アクチュエータ８２は、全長に渡って布地部２０に貼り付けて密着している。アクチュエータ８２は、電圧が印加されると、長手方向に伸縮する。アクチュエータ８２は、伸長または収縮することで、使用者３０の腰部に補助力を付与する。これにより、それぞれの腰椎に負荷がかかっていると判断された場合に、制御部１６は、アクチュエータ８２に電圧を印加することで、使用者３０の腰部に補助力を付与できる。これにより。使用者３０のそれぞれの腰椎にかかる負荷を緩和できる。さらに、補助具８０において、負荷算出部５２は、それぞれの腰椎にかかる負荷を算出することができるので、制御部１６は、それぞれの腰椎にかかる負荷に対応させて異なる補助力を使用者３０に与えることができる。

なお、それぞれの腰椎にかかる負荷に対応した補助力を付与するために、腰椎に係る負荷と補助力および当該補助力を発生させる印加電圧値との関係式を予め取得して記憶部４８に記録してもよい。負荷算出部５２は、腰椎にかかる負荷と補助力との関係式を参照することによって、最適な補助力を発生させるための印加電圧値を示す信号を調整部に出力する。調整部５６は、取得した印加電圧値に対応する印加電圧を、電源部５８を通じてアクチュエータ８２に印加する。これにより、補助具１０はそれぞれの腰椎にかかる負荷に対応した異なる補助力を使用者３０に与えることができる。

また、本実施形態においては、電圧を印加することによって伸縮するアクチュエータを用いた例で説明したが、これに限られず、使用者３０の腰部を含む背部に弾性体を設けてもよい。そして、当該弾性体の引張力を調整するアクチュエータを設け、制御部１６は、当該アクチュエータを用いて弾性体の引張力を調整してもよい。負荷算出部５２が腰椎にかかる強い負荷を検出した場合に、制御部１６は、アクチュエータを用いて弾性体の引張力が強くなるように制御する。これにより、使用者３０は弾性体より大きな補助力を得ることができ、腰椎の負荷を緩和できる。

さらに、使用者３０の腰部を袋状の弾性体で囲んでもよく、当該袋状の弾性体に、流体を流入させて、使用者３０の腰部を流体の詰まった袋状の弾性体で支持させてもよい。負荷算出部５２が腰椎にかかる強い負荷を検出した場合に、制御部１６は、袋状の弾性体に流体を流入させて、流体の詰まった袋状の弾性体で使用者３０の腰部を支持する。これにより、使用者３０腰部は流体の詰まった袋状の弾性体で支持されるので、使用者３０の腰椎が曲がらないように支持され、腰椎にかかる負荷を緩和できる。

さらに、制御部１６は、使用者３０の骨盤底筋群および横隔膜に電気的刺激を与えて、横隔膜と骨盤底筋群との間に腰椎を挟み込むようにさせてもよい。これにより、骨盤底筋群および横隔膜は疲労するが、腰椎は、横隔膜と骨盤底筋群により支持されるので、腰椎にかかる負荷は緩和される。

なお、本実施形態において、補助具１０はアクチュエータ１４を、補助具８０はアクチュエータ８２を備える例を示したが、アクチュエータ１４および８２を備えなくてもよい。その場合、補助具１０、８０は、使用者３０のそれぞれの腰椎の負荷を算出する負荷算出装置となる。

次に、図１４から図１６を用いて、使用者３０が前屈運動をした場合における皮膚の伸びを考慮した腰椎位置の補正について説明する。図１４は、別の補助具１００の断面図である。なお、図１４において、図４と同じ要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省略する。図１４に示したように、補助具１００は２つの加速度センサ１１２、１１４と、曲げセンサ１１０とをさらに有する。

加速度センサ１１２は、曲げセンサ１１０の下端すなわち曲げセンサ１０２の下端の位置である仙骨対応位置に設けられている。また、加速度センサ１１４は、曲げセンサ１１０の上端すなわち曲げセンサ１０６の上端側に設けられている。曲げセンサ１１０は、３つの曲げセンサ１０２、１０４、１０６から構成されている。曲げセンサ１０２、曲げセンサ１０４および曲げセンサ１０６は、加速度センサ１１２側から、曲げセンサ１０２、曲げセンサ１０４、曲げセンサ１０６の順に端部が重ならないように、曲げセンサ１０２と曲げセンサ１０４の端部および曲げセンサ１０４と曲げセンサ１０６の端部が揃えられて設けられている。

図１５は、使用者３０が前屈運動をした場合における補助具１００の断面図である。使用者３０が前屈運動をすると、使用者３０の背中の皮膚が伸びる。このため、曲げセンサ１０２と曲げセンサ１０４の間と、曲げセンサ１０４と曲げセンサ１０６との間と、曲げセンサ１０６と加速度センサ１１４との間に隙間が生じる。このように、隙間が生じると、位置取得部５０が算出した複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに誤差が生じる。そのため、位置取得部５０は、上記隙間が発生したことを検出するとともに、当該隙間が生じたことを検出した場合には、複数の腰椎のそれぞれの位置および向きの誤差を補正する。

図１６は、腰椎位置および向きの補正方法を説明する図である。位置取得部５０は、加速度センサ１１２から出力される重力方向に対する使用者３０の骨盤部の傾斜角度と、それぞれの曲げセンサ１０２、１０４、１０６から出力される曲率とから算出される曲げセンサ１０６の上端における重力方向に対する使用者３０の上体の傾斜角度θ_ｘを算出する。また、位置取得部５０は、加速度センサ１１４から出力される重力方向に対する使用者３０の上体の傾斜角度θ_ｙを算出する。位置取得部５０は、θ_ｘとθ_ｙとの差である角度差Δθを算出する。

ここで、θ_ｘは、加速度センサ１１２から出力される重力方向に対する使用者３０の骨盤部の傾斜角度と、曲げセンサ１０２、１０４、１０６から出力される曲率から算出される、使用者３０の重力方向に対する傾斜角度の和であるのに対し、θ_ｙは、それぞれの曲げセンサおよび加速度センサ１１４の隙間を含む使用者３０の重力方向に対する傾斜角度である。したがって、角度差Δθが予め定められた閾値より大きい場合に、位置取得部５０は、曲げセンサ１０２、１０４、１０６および加速度センサ１１４が互いに離れたことによって複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに誤差が生じたと判断し、当該角度差Δθに基づいて誤差を補正する。なお、位置取得部５０は、θ_ｘとθ_ｙとの角度差であるΔθが、予め定められた閾値より小さい場合には、誤差を補正しない。複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに誤差が生じたと判断した場合に、位置取得部５０は、図６に示した使用者３０の表皮３３の形状を示す曲線７０を補正する。なお、予め定められた閾値の一例は、０であり、この場合、位置取得部５０は、θ_ｘとθ_ｙとの差である角度差Δθが０より大きい場合に、複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに誤差が生じたと判断する。

図１６に示したように、曲げセンサ１０２、１０４、１０６から出力される曲率をρ_ｉとする。なお、ｉ＝０、１、２であって、曲げセンサ１０２から出力される曲率をρ_０（曲率半径は１/ρ₀）、曲げセンサ１０４から出力される曲率をρ_１（曲率半径は１/ρ₁）、曲げセンサ１０６から出力される曲率をρ_２（曲率半径は１/ρ_２）とする。また、使用者３０の前屈運動によって生じる隙間をそれぞれΔＤ_ｉ（ｉ＝０、１、２）とし、それぞれの隙間に対応する誤差角度Δθ_ｉ（ｉ＝０、１、２）とする。前屈運動によって生じる隙間は、それぞれの曲げセンサの曲率に比例すると仮定すると関係式（１）が成り立つ。

ΔＤ_ｉ：ΔＤ_ｉ＋１＝ρ_ｉ：ρ_ｉ＋１・・・関係式（１）

また、誤差角度Δθ_ｉと曲率ρ_ｉとから算出される半径との積は、前屈動作によって生じる隙間ΔＤ_ｉであるので、関係式（２）が成り立つ。

Δθ_ｉ＝ΔＤ_ｉ×ρ_ｉ・・・関係式（２）

角度差Δθは、ΣΔθ_ｉであるから、関係式（２）から関係式（３）が成り立つ。

Δθ＝ΣΔＤ_ｉ×ρ_ｉ・・・関係式（３）

ここで、ΔＤ_ｉ：ΔＤ_ｉ＋１＝ρ_ｉ：ρ_ｉ＋１から、ΔＤ_ｉ×ρ_ｉ＋１＝ΔＤ_ｉ＋１×ρ_ｉであることから、ΔＤ_ｉ×ρ_０＝ΔＤ_０×ρ_ｉ、ΔＤ_ｉ×ρ_１＝ΔＤ_１×ρ_ｉ、ΔＤ_ｉ×ρ_２＝ΔＤ_２×ρ_ｉが算出できる。これから、ΔＤ_０＝ΔＤ_ｉ×ρ_０／ρ_ｉ、ΔＤ_１＝ΔＤ_ｉ×ρ_１／ρ_ｉ、ΔＤ_２＝ΔＤ_ｉ×ρ_２／ρ_ｉが算出でき、これらの式と関係式（３）から関係式（４）が導かれる。

ΣΔＤ_ｉ×ρ_ｉ＝ΔＤ_０×ρ_０＋ΔＤ_１×ρ_１＋ΔＤ_２×ρ_２＝（ρ_０ ^２＋ρ_１ ^２＋ρ_２ ^２）×ΔＤ_ｉ／Δρ_ｉ・・・関係式（４）

このように、角度差Δθを、曲げセンサ１０２、１０４、１０６から出力される曲率に対応させて振り分けた誤差角度Δθ_ｉは、関係式（４）から関係式（５）として表すことができる。

Δθ_ｉ＝ρ_ｉ ^２Δθ／（ρ_０ ^２＋ρ_１ ^２＋ρ_２ ^２）・・・関係式（５）

位置取得部５０は、関係式（２）によって求められる隙間ΔＤ_ｉと、関係式（５）に示された誤差角度Δθ_ｉを用いて、使用者３０の表皮３３の形状を補正できる。位置取得部５０は、補正した表皮３３の形状から、表皮３３の形状を示す曲線７０を補正する。位置取得部５０は、補正した曲線７０を用いて、図６で説明した方法により複数の腰椎の位置および向きを算出する。これにより、使用者３０の前屈運動により皮膚が伸びて、曲げセンサ間と、曲げセンサと加速度センサ間に隙間が生じた場合であっても、位置取得部５０は、複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに生じた誤差を補正でき、腰椎にかかる負荷を精度よく算出できる。

なお、関係式（１）から関係式（５）は、それぞれの曲げセンサの曲率に比例するとした場合の関係式であるが、角度差Δθをそれぞれの隙間に対し均等に割り振って、誤差角度Δθ_ｉを算出してもよい。これにより、角度差Δθを均等に割り振ることによって、誤差角度Δθｉを算出する手順を簡略化できる。

また、２つの加速度センサ１１２、１１４と、曲げセンサ１１０は、布地部２０に縫合されて取り付けられてもよい。布地部２０に２つの加速度センサ１１２、１１４と、曲げセンサ１１０を縫合して設けることによって、使用者３０は負荷算出装置を装着しやすくなる。しかしながら、布地部２０の材質が、使用者３０の皮膚よりも伸縮する素材で構成されている場合には、布地部２０の伸長により曲げセンサ間と、曲げセンサと加速度センサ間に隙間が生じやすくなる。そのため、位置取得部５０は、図１４から図１６で説明した補正を行うことによって、装着性を向上させながら、精度よく複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを測定できる。

上記した例では、加速度センサ１１２が曲げセンサ１１０の下端に配置され、加速度センサ１１４が曲げセンサ１１０の上端に配置された例を示したが、曲げセンサ１１０に対する加速度センサ１１２および加速度センサ１１４の相対位置を予め測定しておくことにより、加速度センサ１１２を、曲げセンサ１１０の上端よりも上方の位置に設けてもよく、加速度センサ１１４を曲げセンサ１１０の下端よりも下方の位置に設けてもよい。この場合、曲げセンサ１０２の曲率と同じ曲率を有する延長線上に加速度センサ１１２が配置され、曲げセンサ１０６の曲率と同じ曲率を有する延長線上に加速度センサ１１４が配置されていると仮定することにより、位置取得部５０は、図１５に示すように使用者３０が前屈運動をしたときに、曲げセンサ１１０と加速度センサ１１２および加速度センサ１１４との間隔の変化量を考慮して、複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに生じた誤差を補正することができる。

また、上記した例では、３つの曲げセンサ１０２，１０４，１０６が互いに重なり合うことなく連続して配置された例を示したが、例えば図５に示すように、３つの曲げセンサ１０２，１０４，１０６のそれぞれの一部が互いに重なり合うように配置してもよい。この場合、位置取得部５０は、図１５に示すように使用者３０が前屈運動をしたときに、各曲げセンサ１０２，１０４，１０６のそれぞれの角度および曲率に基づいて、各曲げセンサ１０２，１０４，１０６の重なり量の変化を算出することにより、各曲げセンサ１０２，１０４，１０６の重なり量の変化による複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに生じた誤差を補正することができる。

また、上記した例では、位置取得部５０は、加速度センサ１１２および曲げセンサ１０２、１０４、１０６から出力される使用者３０の上体の傾斜角度θ_ｘと、加速度センサ１１４から出力される使用者３０の上体の傾斜角度θ_ｙとの角度差Δθに基づいて、３つの曲げセンサ１０２，１０４，１０６の間に隙間が生じていることを検出する例を示したが、これに代えて、または、これに加えて、角度差Δθに基づいて、３つの曲げセンサ１０２，１０４，１０６の少なくとも一つが使用者３０の表皮３３または布地部２０から離れて浮いた状態であることを検出してもよい。この場合、位置取得部５０は、角度差Δθの絶対値が所定の閾値よりも大きくなった場合に、計測不可であることを示す表示や音声等の警告を出力してもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０、８０ 補助具、１２ 衣服部、１４、８２ アクチュエータ、１６ 制御部、１８ 負荷測定部、２０ 布地部、２２ 支持部、２４ ベルト、２６ コントローラ、２７、１１２、１１４ 加速度センサ、２８、１０２、１０４、１０６、１１０ 曲げセンサ、３０ 使用者、３３ 表皮、３４ 仙骨、３５ 第５腰椎、３６ 第４腰椎、３７ 第３腰椎、３８ 第２腰椎、３９ 第１腰椎、４０ 報知部、４２ 表示部、４４ 入力部、４６ 演算部、４８ 記憶部、５０ 位置取得部、５２ 負荷算出部、５４ 電源スイッチ、５６ 調整部、５８ 電源部、６０、６２、６４ 曲げセンサ、７０、７２ 曲線、７４ 荷物

Claims (28)

1. 使用者における複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを取得する位置取得部と、
   前記位置取得部により取得された前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに基づいて、前記複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷を算出する負荷算出部と
   を備える負荷算出装置。
2. 前記使用者の上体の質量を取得する体重取得部をさらに備え、
   前記負荷算出部は、前記複数の腰椎の位置および向きにおける前記上体の質量の分力と、前記上体の質量により生じる回転モーメントに対抗する筋力と、の合力により、前記複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷を算出して出力する請求項１に記載の負荷算出装置。
3. 前記負荷算出部は、前記上体の質量の重心が、直立している場合の真上にあるとして前記負荷を算出する請求項２に記載の負荷算出装置。
4. 前記使用者からの入力を受け付ける入力部をさらに備え、
   前記入力部から入力された荷重情報に基づいて、前記負荷算出部は、腰椎のそれぞれにかかる負荷を算出する請求項２または３に記載の負荷算出装置。
5. 前記使用者の背部の表皮上に設けられた第１加速度センサと、
   前記複数の腰椎に沿って前記使用者の前記表皮上に設けられた複数の曲げセンサと
   をさらに備え、
   前記位置取得部は、前記加速度センサから算出される前記使用者の上体の角度と、前記複数の曲げセンサから算出される前記表皮の曲率とから、前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを算出する請求項１から４の何れか１項に記載の負荷算出装置。
6. 前記第１加速度センサは、仙骨に対応する位置に配される請求項５に記載の負荷算出装置。
7. 前記第１加速度センサは、前記複数の曲げセンサの上端またはその上方に配され、前記曲げセンサの下端は、仙骨に対応する位置に配される請求項５に記載の負荷算出装置。
8. 前記複数の曲げセンサの上端またはその上方に配される第２加速度センサを備える請求項６に記載の負荷算出装置。
9. 前記第１加速度センサと前記複数の曲げセンサとから算出される前記使用者の上体の角度と、前記第２加速度センサから算出された前記使用者の上体の角度との角度差に基づいて、前記位置取得部は、前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きの誤差を補正する請求項８に記載の負荷算出装置。
10. 前記位置取得部は、前記角度差が予め定められた閾値を超えた場合に、前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きの誤差を補正する請求項９に記載の負荷算出装置。
11. 前記位置取得部は、前記角度差が０より大きい場合に、前記複数の曲げセンサが互いに離れたことによる前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きの誤差を補正する請求項９または１０に記載の負荷算出装置。
12. 前記角度差を前記複数の曲げセンサから算出されるそれぞれの前記表皮の曲率に対応させて振り分けた誤差角度を用いて、前記位置取得部は、前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを補正する請求項９から１１のいずれか一項に記載の負荷算出装置。
13. 前記加速度センサおよび前記複数の曲げセンサは、前記使用者の衣服に設けられる請求項６から１２の何れか１項に記載の負荷算出装置。
14. 前記上体の角度に関わらず、前記仙骨から前記複数の腰椎までのそれぞれの距離が予め定められており、前記位置取得部は、前記仙骨から前記複数の腰椎までのそれぞれの距離に基づいて、前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを算出する請求項６または１３に記載の負荷算出装置。
15. 前記上体の角度に関わらず、前記表皮から前記複数の腰椎までの距離が予め定められており、前記位置取得部は、前記表皮から前記複数の腰椎までの距離に基づいて、前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを算出する請求項５から１４の何れか１項に記載の負荷算出装置。
16. 前記上体の角度と前記表皮から前記複数の腰椎までの距離との関係が予め定められており、前記位置取得部は、前記加速度センサによって算出された前記上体の角度により定められる前記表皮から前記複数の腰椎までの距離に基づいて前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを算出する請求項５から１４の何れか１項に記載の負荷算出装置。
17. 前記加速度センサは、前記使用者が直立状態にあるときの位置を初期位置とする請求項１６に記載の負荷算出装置。
18. 前記負荷算出部が算出した前記複数の腰椎の負荷が予め定められた負荷の閾値を越えた場合に、前記使用者に警告を報知する報知部をさらに備える請求項１から１７の何れか１項に記載の負荷算出装置。
19. 前記負荷算出部が、前記閾値を越える負荷を予め定めた時間継続して算出した場合に、前記報知部は、前記使用者に警告を報知する請求項１８に記載の負荷算出装置。
20. 前記負荷算出部は、警告を報知した回数が多いほど、前記予め定められた時間を短くする請求項１９に記載の負荷算出装置。
21. 前記負荷算出部は、短くされた前記予め定められた時間を、前記警告を報知してからの経過時間に基づいて変更する請求項２０に記載の負荷算出装置。
22. 前記負荷算出部は、前記位置取得部により取得された前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに基づいて、前記複数の腰椎のそれぞれにかかるせん断力を算出する請求項１から２１のいずれか１項に記載の負荷算出装置。
23. 請求項１から２２の何れか１項に記載の負荷算出装置と、
    前記使用者に補助力を付与するアクチュエータと、
    前記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、前記負荷算出部によって算出された前記複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷に基づいて前記アクチュエータを制御する補助具。
24. 前記アクチュエータは、前記使用者の腰の周囲に設けられ、前記アクチュエータが収縮することによって、前記使用者の腰部を締め付ける請求項２３に記載の補助具。
25. 前記アクチュエータは、前記使用者の腰部に設けられ、前記アクチュエータが伸縮することによって、前記使用者の腰部に補助力を付与する請求項２３に記載の補助具。
26. 前記使用者の腰部には弾性体がさらに設けられ、前記アクチュエータが伸縮することによって、前記弾性体の引張力を制御する請求項２３に記載の補助具。
27. 使用者における複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを取得する位置取得ステップと、
    前記位置取得ステップにより取得された前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに基づいて、前記複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷を算出して出力する負荷算出ステップと
    を有する負荷算出方法。
28. 使用者における複数の腰椎のそれぞれの位置および向きを取得する位置取得機能と、
    前記位置取得機能により取得された前記複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに基づいて、前記複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷を算出して出力する負荷算出機能と
    を有するプログラム。

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