JP2019513573A - 人間用外骨格 - Google Patents

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Abstract

要約本発明は、肉体労働を行う人々への慢性的なダメージを回避し、活動の実行をサポートするため、回転系及び並進系の人間の動作を行う装置を有するサポート装置としての外骨格を提供する。人の少なくとも１つの身体部位に接続される外骨格は、少なくとも１つの人機構間インターフェースと、回転系及び並進系の人間の動作を行う装置と、特定の状況下では、センサシステム及び制御部によって補完されるアクチュエータユニットとを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、頭の高さ以上で作業を行う際に、例えば、生産及び通商に従事する人達に発生しうる慢性的な筋骨格のダメージを回避するための装着可能かつ制御可能な装置（外骨格）に関し、運動学的構造体の特別な構成による忠実性の高い動作（回転自由度と並進自由度との結合）に特徴付けられる。
多くの適用例は、人間の活動をサポートするように、例えば、品質及び人間工学を改善するように設計された技術システムに関連している。これらのシステムは、特に、力の増強のためと、航空宇宙等の様々な適用態様とにおいて使用される。腕又は全身等の身体の様々な部位がこれらのシステムによってサポート可能である。
本発明の主題は、特に、運動学的構造体と人体部位、特に肩との間のより集約的でより密着し、かつ一時的なだけではない結合によって特定可能である。この基本条件により、よりスリムでより小型な装置設計がもたらされる。このことは、小型装置において、回転自由度のみならず並進自由度も反映されている事実からわかる。これにより、顕著に忠実性が向上した動作を実現可能である。
本発明の課題は、特に頭上で作業を行う際に、人間をその動作においてサポートする装置を提供することである。
独立請求項の特徴により課題は解決される。本発明のさらなる実施形態例は、従属請求項及び下記の明細書に記載されている。
本発明の第１態様は、人間用外骨格に関する。前記外骨格は、
−肩部部材と、
−少なくとも１つの腕部支持体と、
−骨盤支持部材と、
−第１端と、第２端とを有する背部部品とを備える。
前記背部部品は、少なくとも第１部分と第２部分とを有する第１フレキシブル領域背部手段と、少なくとも第１補強装置とを備え、前記第１フレキシブル領域背部手段は、その第１端が前記背部部品の前記第１端の方向に面し、その第２端が前記背部部品の前記第２端の方向に面するように配向されている。前記背部部品の前記第１端は前記肩部部材に装着され、前記第２端は前記骨盤支持部材に装着されている。前記腕部支持体は、前記肩部部材に直接的又は間接的に連接されている。前記第１補強装置は、特に曲げ方向において前記第１フレキシブル領域背部手段を補強するように設計されている。
特に頭上作業時に、ユーザ又は各々の人間をその活動においてサポートするために、本発明は外骨格を提供する。当該外骨格は、ユーザの腕に生じる力をユーザの背中及び骨盤に個別に伝えることにより、ユーザのサポート及びユーザの負担軽減の両方を可能としてもよい。さらに、アクチュエータによって、動いているユーザを積極的にサポートしてもよい。
本発明に係る外骨格は、実質的に３つのモジュールで構成されてもよい。第１モジュールは、特にユーザの上腕と呼ばれる腕部の支持と、肩関節とを模倣する肩部機構である。第２モジュールは、背部部品であって、肩部機構と接続でき、少なくとも部分的にユーザの背中に接するように配置されている。第三モジュールは、骨盤支持部材である。第三モジュールは、背部部品の端部に配置され、肩部機構の反対に配置されていてもよい。背部部品は、肩部機構からの力を、骨盤支持部材を介してユーザの背中及び骨盤に導くようにしてもよい。この方法で、ユーザは身体を損傷したり、身体に過度の負荷をかけたりすることなく、より重量のある荷物を扱うこと、より長時間作業することの両方、またはいずれか一方が可能となる。
背部部品は、１以上の部分から構成されていてもよい。背部部品は、補強装置によって曲げ方向に個別に補強可能な少なくとも１つのフレキシブル領域背部手段を有することが好ましい。補強装置は、好ましい曲げ方向にフレキシブル領域背部手段の補強が行われるように、すなわち、例えばフレキシブル領域背部手段の曲げ方向に沿って補強されるように、設計されていてもよい。言い換えると、ユーザは、背筋を伸ばし続けることができるが、さらなる曲げが予防されている。この方法で、ユーザは、姿勢の崩れから守られ、ユーザの肩に発生する力は、少なくとも部分的にユーザの背中及び骨盤に伝えられる。
さらなる実施形態では、フレキシブル領域背部手段はいくつかの補強装置を備えてもよい。特に、背部部品が１つのフレキシブル領域背部手段のみを備える場合、複数の異なる補強装置をフレキシブル領域背部手段に適用すると有益であるかも知れない。さらに、補強装置を背面側、すなわちユーザ側の外方を向いた側に１つ及び内部に１つ適用してもよい。
本発明のさらなる実施形態によると、第１力点は前記背部部品の前記肩部部材側に設けられ、第２力点は前記背部部品の前記骨盤支持部材側に設けられ、前記第１補強部材は、曲げ力が特に一方向に増加するように前記第１フレキシブル領域背部手段の曲げ線の外側で前記第１力点と前記第２力点との間に張られたロープである。
本発明の好適な実施形態では、補強装置の補強部材は、張られたロープであってもよい。本ロープは、補強されるフレキシブル領域背部手段にわたって存在する力点間に張られてもよい。ロープの弾性及び張力といったロープの特性は、フレキシブル領域背部手段による補強のレベルを調整するために利用可能である。ロープは、ユーザがロープと接触しないように、一般的に背部部品の外側、すなわちユーザから見て離れた側を向く背部部品側に沿って延びている。ロープはまた、より大きなレバレッジを設けるために、フレキシブル領域背部手段から間隔を隔てて延びてもよい。低い全高を達成するために、ロープとフレキシブル領域背部手段との直接的な接触も設けられている。力点は、フレキシブル領域背部手段に直接的に一体化されてよいが、肩部部材又は接続部材等の背部部品の他のコンポーネントにもまた一体化されてもよい。
異なる種類や強度のロープに加えて、補強部材は、バネ、プラスチック、金属、空気圧シリンダ、ダンパ、ゴムバンド、電気アクチュエータ、圧電アクチュエータ又は鋼索から構成されてもよい。
本発明の一実施形態によると、前記背部部品は、さらに第１端と第２端とを有する第２フレキシブル領域背部手段と、接続部材とを備える。前記第１フレキシブル領域背部手段の前記第２端は、前記接続部材によって、前記第２フレキシブル領域背部手段の前記第１端と接続されている。
背部部品をより細かく補強するため、そして、ユーザに対してより適合させるため、背部部品は、複数のフレキシブル領域背部手段も備えてもよい。背部部品は、特に、２つ又は３つの部品から構成されてもよい。背部部品は、フレキシブル領域背部手段に加えて、非フレキシブル領域背部手段も備えてもよい。
各フレキシブル領域背部手段の補強は、フレキシブル領域背部手段の材料、材料の強度及び形状にも影響を受けて行われてもよい。その一方で、選択される補強装置と、背部部品、あるいは各フレキシブル領域背部手段への補強装置の接続とに影響を受けてもよい。
本発明の一実施形態によると、前記第２フレキシブル領域背部手段は、第２補強部材を有する第２補強装置を有し、前記第２補強装置は、特に前記第２フレキシブル領域背部手段を曲げ方向に補強するように構成される。前記第１補強装置及び前記第２補強装置は、異なるレベルの剛性を有する。
各ユーザに対して外骨格を個別に適合させるため、いくつかのフレキシブル領域背部手段によって、それぞれの状況に応じて、互いから独立して、個別のフレキシブル領域背部手段による補強を適合させることができる。言い換えると、使用される補強装置のそれぞれは、各フレキシブル領域背部手段を異なる度合いに補強でき、補強装置の補強部材は異なる張力であってもよい。補強装置には、互いに独立して変更又は調整が行われてもよい。
本発明の一実施形態によると、前記第１フレキシブル領域背部手段及び前記第２フレキシブル領域背部手段の少なくとも１つが、前記接続部材に対して長手方向に移動自在に配置されることによって、前記第１フレキシブル領域背部手段と前記第２フレキシブル領域背部手段との間の距離が調整可能である。
各ユーザ及びその人の身体のサイズに外骨格を調整するには、接続部材に固定されたフレキシブル領域背部手段間の距離を変更できるように、接続部材を設計してもよい。言い換えると、接続部材は、フレキシブル領域背部手段用の複数の接続点を備えてもよい。これにより、１つのフレキシブル領域背部手段が移動自在となる又は両方のフレキシブル領域背部手段が移動自在に配置されてもよい。さらに、この機能は楕円の穴を使用することで提供してもよい。フレキシブル領域背部手段と接続部材とは取り外し可能な方法、すなわち、ネジによって接続されることが好ましい。
本発明の一実施形態によると、前記補強部材が前記フレキシブル領域背部手段の表面から間隔を隔てて配置されるように、少なくとも１つの突出保持構造体が、前記補強装置の前記補強部材が載置される前記背部部品から離れる側を向く前記フレキシブル領域背部手段の表面に配置されている。
より大きなレバレッジを生成し、それによりフレキシブル領域背部手段のより大きな補強をもたらすために、背部部品は突出保持構造体を有してもよい。また、各フレキシブル領域背部手段に対し複数の保持構造体と、各フレキシブル領域背部手段に対し１つの保持構造体との両方又はいずれか一方が存在していてもよい。ロープは、保持構造体の上に導かれてもよいし、穴を有する場合は保持構造体を通って導かれてもよい。さらに、保持構造体はロープの向きを変えるように機能してもよく、そのために、保持構造体は、ロープがフレキシブル領域背部手段に対してほぼ平行な配置となるように機能してもよい。突出保持構造体は、フレキシブル領域背部手段に直接的に一体化されてもよいが、接続部材上など背部部品のその他のコンポーネント上に配置されてもよい。補強装置は複数のフレキシブル領域背部手段にわたって延びていてもよい。
本発明の一実施形態によると、少なくとも前記第１補強装置は、ロープ張力を変更可能とするよう設計されているロープ張力装置を有する。
フレキシブル領域背部手段のより高い補強を望むか要する場合、ロープの張力をロープ張力装置によって増加させてもよい。ロープの張力が弱まると、フレキシブル領域背部手段の補強も弱まる。補強装置ごとに別個のロープ張力装置を設けてもよい。ロープ補強装置は、手動、すなわち、ユーザによって、例えば調整スクリュを使用して調整されてもよいし、あるいはアクチュエータによって自動で調整されてもよい。
本発明の一実施形態によると、少なくとも前記第１補強装置は、第１アクチュエータを有し、前記ロープ張力装置は、前記第１アクチュエータにより前記ロープ張力が変更可能となるように設計されている。
ロープ張力装置によるロープ張力の手動調整に加えて、アクチュエータによるロープ張力の自動適合と支援付適合の両方又はいずれか一方が行われてもよい。これにより、起動と制御の両方又はいずれか一方が行われた際、ロープの張力を増加又は減少させることができるように、アクチュエータはロープ張力装置に一体化される。他の好適な実施形態では、アクチュエータは、外骨格が使用中であっても任意の状況にロープ張力装置を適応させることができる。すなわち、様々な状況に迅速に適応するため、ユーザの動作と活動の両方又はいずれか一方の最中に張力を変更してもよい。
本発明の一実施形態によると、前記第１アクチュエータは、空気圧シリンダ、空気圧式筋肉又は電気モータである。
外骨格の適用領域によっては、アクチュエータは、ロープ張力の調整のために様々な構成を有していてもよい。すなわち、アクチュエータは、空気圧シリンダ又は空気圧式筋肉等の空気圧的、電気的、圧電的又は油圧的に動作してもよい。
本発明の一実施形態によると、前記外骨格は、さらに、
−特に角度又は力を測定するセンサ装置と、
−制御部と、を備える。
前記制御部は、前記補強装置のロープ張力が、状況に応じて適合可能となるように、前記センサ装置からのセンサデータに基づいて前記ロープ張力装置の前記第１アクチュエータを制御するように構成されている。
フレキシブル領域背部手段の補強を細かく適合させるために、ロープ張力装置のアクチュエータは１つの制御部と１つのセンサによって拡張されてもよい。センサは外骨格に作用している力、特に外骨格の腕部支持体に作用する力、又は外骨格に対するユーザの腕の角度を測定するように構成されてもよい。制御部は、センサにより測定された数値に基づいてアクチュエータを制御するよう構成されてもよく、それによって、ユーザがその動作と活動の両方又はいずれか一方において可能な限り最大に支援されるように、状況に応じてフレキシブル領域背部手段の補強を適合させるよう構成されてもよい。この方法によって、ユーザの身体を保護可能である。
本発明の一実施形態によると、前記背部部品と前記骨盤支持部材とは、前記背部部品の表面に直交する第１回転軸まわりに回転可能に接続されている。
ユーザの側方の屈曲を実現するには、すなわちユーザが横向きに曲がることができるようにするには、背部部品は第１回転軸によって骨盤支持部材に接続できる。第１回転軸は背部部品の表面に垂直であってもよい。この方法によって、外骨格におけるユーザの動作の自由をさらに増やすことが可能である。
本発明の一実施形態によると、前記背部部品と前記骨盤支持部材とは、前記背部部品の領域において、前記背部部品の主方向に対して傾斜して延びている第２回転軸まわりに回転可能に接続されている。
ユーザが前方へ曲がれるようにするため、背部部品と骨盤支持部材との間の接続箇所に第２回転軸を設けることができる。第２回転軸は、背部部品の主方向に対して傾斜していてもよい。
本発明の一実施形態によると、前記外骨格は、さらに第２アクチュエータを有し、前記第２アクチュエータは第１端と第２端とを有する。前記第２アクチュエータの前記第１端は、前記背部部品に接続され、前記第２アクチュエータの前記第２端は、前記骨盤支持部材に接続され、前記第２アクチュエータは、背中と骨盤との間の動作をサポートするよう構成されている。
ユーザの下部腰椎領域を可能な限り最良にサポートするために、骨盤支持部材と背部部品との間の動作をサポートする第２アクチュエータを設けてもよい。さらに、下部腰椎領域をサポートするために２つのアクチュエータがユーザの脊椎の隣に並列して配置されてもよい。第２アクチュエータも制御部によって制御されてよく、制御部はセンサによって測定されたデータに基づいてアクチュエータを制御する。第２アクチュエータは、空気圧、電気、圧電又は油圧で動作してもよい。
本発明の一実施形態によると、少なくとも前記第１フレキシブル領域背部手段は、炭素繊維強化プラスチックから構成されている。
さらに、他のフレキシブル領域背部手段も炭素繊維強化プラスチックからできていてもよい。さらに、フレキシブル領域背部手段は、プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック、金属、布地（メッシュ）又は前述の材料を混合したもの等の他の材料からできていてもよい。
本発明の一実施形態によると、前記外骨格は、肩部機構を有し、前記肩部機構は、前記肩部部材、第１肩部接続部材、第２肩部接続部材及び前記腕部支持体を有している。前記第１肩部接続部材は、第１回転軸によって前記肩部部材に接続されている。前記第１肩部接続部材と前記第２肩部接続部材とは互いに第２回転軸によって接続されている。前記第２肩部接続部材と前記腕部支持体とは第３回転軸によって接続されている。前記第１回転軸及び前記第２回転軸は、互いに直角であるとともに互いから間隔を隔てて配置される。前記第２回転軸及び前記第３回転軸は交差している。
外骨格は、２つの肩部機構を備えてもよく、一方がユーザの左肩用で、他方がユーザの右肩用である。さらに、アクチュエータは第２肩部接続部材と腕部支持体との間に備えられてよく、それによって第３回転軸まわりの回転をサポートすることができるようになる。
本発明の一実施形態によると、前記肩部機構は、前記肩部部材に沿った並進軸をさらに有し、前記第１肩部接続部材は前記並進軸に沿って可動である。
ユーザ、特にユーザの肩幅に対して外骨格を調整するには、肩部部材に並進軸が設けられてもよい。並進軸は、第１肩部接続部材が肩部部材に沿って動くことを可能にする。一実施形態では、ユーザの肩幅が設定され、そして第１肩部接続部材がこれ以上並進軸に沿って動けないように並進軸はロックされてもよい。他のユーザに対して調整可能となるように、このロックは解除できる。代替手段として、さらなる自由度を肩部機構に付加できるように、並進軸はロックなしで構成されてもよい。
本発明の一実施形態によると、前記第１回転軸は、０°乃至５０°の間の角度で傾斜可能な傾斜軸である。
本発明の一実施形態によると、前記第２回転軸と前記第３回転軸との間の角度は０°乃至９０°の間であり、特に、前記第２回転軸と前記第３回転軸との間の角度は８５°±５°である。
本発明の一実施形態によると、前記外骨格は、さらに第３アクチュエータを備える。前記第３アクチュエータは、第１端と第２端とを有し、前記第３アクチュエータの前記第１端は、前記腕部支持体と接続され、前記第３アクチュエータの前記第２端は、前記第２肩部接続部材と接続される。前記第３アクチュエータは、肩の動作をサポートするように構成されている。
腕部支持体と第２肩部接続部材との間の第３アクチュエータの使用によって、ユーザは、その動作においてサポートされることが可能である。サポートは、特に頭の高さ以上で作業が行われる際又は肩の角度が広い場合に、提供されることが可能である。外骨格は、さらに、第３アクチュエータによって提供されるサポートに応じて背部部材の補強を制御するよう構成されていてもよい。言い換えると、ユーザの肩と上腕の両方又はいずれか一方のサポートが高くなるに従って、フレキシブル領域背部手段の補強もより強くすることができる。さらなる実施形態では、第１アクチュエータ、第２アクチュエータ及び第３アクチュエータの制御は制御部により行われてもよい。制御部は、１つ又は複数のセンサによって測定されたデータを、制御のために考慮してもよい。
さらに、本発明に係る装置は、予想される負荷をサポートするため、すなわち、力を増加させて、少なくとも１つの人体領域（好適には四肢）に力を導くため、各身体寸法に適合させてもよい。軟質な材料又は軟質及び硬質な材料からできていてもよい、本装置又は外骨格を、ユーザは装着することができる。特に、フレキシブル領域背部手段は、ユーザやその身体に、より適合できるように硬質又は柔軟な材料からできている。軟質なコンポーネントは、特に、ユーザと機構との間に接触がある領域に使用されてもよい。
本発明に関連して、装置の語は、様々なシステムコンポーネントを有する技術システムとして理解される。様々なシステムコンポーネントとは、例えば、（力を吸収し、そのため、人体部位から技術システムに力を伝え、技術システムから人体部位へ力を伝える）腕部支持体又は骨盤支持部材等の人間機構間インターフェース、例えば肩部と腕部ユニット（メカニクスとも呼ばれる）との間等の接続部材、人体部位の回転と並進の両方又はいずれか一方の動作を実現する装置の両方又はいずれか一方、センサ並びにアクチュエータ等である。回転と並進の両方又はいずれか一方の動作を実現する装置は、本開示の文脈において、サポートされる人間の対応部、すなわち、人間の肩に可能な限り類似するよう設計されなくてはならない。そのため、擬人的に設計されなくてはならない。人間の動作を実現する装置は、力を吸収する、すなわち、上腕等の人体部位からの力を技術システムに伝える、人間機構間インターフェースを備えなくてはならない。これに加えて、装置は、技術システムからの力を、例えば、背中と、胸部と、骨盤との全て又はいずれかの人体構造に伝達して戻す、人間機構間インターフェースを有さなくてはならない。この人間機構間インターフェースは、例えば、以下において胴体骨格とも呼ばれる、人間の胴体をまねた技術装置であってもよい。胴体骨格は、必ずしもカスタマイズされないが、３Ｄ印刷によって個別に生成され、ユーザに適合された力誘導点を有する。胴体骨格はここでは異なるように構成されてもよい。このことに関する異なる変形例を以下に説明する。胴体骨格は、例えば、人体に関連するリュックサック等のようにベルトシステムで適用できる。さらに、人間の動作を実現する装置は駆動機構を備える。このことに関して、様々な受動的及び能動的な実現オプションが存在する。能動的な場合、センサ及び制御部のシステムが必要となってもよい。駆動機構は、人間の動作をサポートし、模倣するために必要な力と運動量を装置に発生させるために使用される。受動的には、例えば、機械的バネ、ガス圧スプリング又は弾性バンドによる特定性質を考慮して、駆動機構を実現できる。能動的なサポートには、電気モータ、空気圧及び油圧アクチュエータ又は人工筋肉が使用されてもよい。これら能動的な駆動の選択肢には異なる特性もある。駆動の選択肢の配置としては、装置の回転又は線形軸上に直接置かれ、人間の動作を実現してもよい。しかしながら、ドライブユニットを分散化させて置くこともできるし、例えば、プーリー機構によって作動を実現することもできる。
胴体骨格は異なる構成を有していてもよい。考えられることとしては、例えば、純粋に技術的な機能（例えば、変更されたユーザプロファイルへの簡潔かつ迅速な調整）を提供するための、プロファイルシステムから作られた、純粋に「機械のようなデザイン」が挙げられる。他の選択肢としては、胴体構造が人間の脊椎に適合されて、最適な力の流れを実現する構成があるだろう。この構造は、以下、Ｓプロファイルシステムとも呼ばれる。
腕機構間インターフェースの設計も異なってもよい。閉鎖的及び開放的構造、硬質及び軟質構造も全て考えられる。
装置は、装着者の少なくとも２つの身体部位に直接的に接続される。装置は、例えば、上腕と直接的に相互作用し、人間からの力を技術システムに伝えてサポート機能を実現する。また装置は、骨盤支持部材によって骨盤とも直接的に相互作用し、技術システムからの力を人体構造と人体の両方又はいずれか一方に戻して伝達する。機械的な接続が好ましく、これは、人体の少なくとも２つの特定部位に直接的かつ密接的に接続される装置をユーザが装着できるという意味である。ここで、一方では人体の特に使用される領域まわりに力を伝えることによって、他方で、力を個別に生成し、補強して他のサポートと動作機能とを提供することによって、主として持ち上げやハンドリングのタスクである、人間の少なくとも１つの活動を、装置は、直接的にサポートしてもよい。これは、システムが、力を吸収、伝達、補強及び導入するので、例えば、人間の上肢用のサポート装置の一種であるとみなすことができることを意味する。
サポート装置は、システム装着者によって行われる様々な動作にサポートを提供してもよく、例えば、頭の高さ以上で作業を行っている最中に、人間の上肢への不適切な負荷を回避するよう意図されている。しかしながら、装置は、装着者若しくはユーザの作業を全て行うこと又は全ての負荷を引き継ぐことを意図していない。システムは、一時的に制限されても又は恒久的に電源が入っていてもよい。さらに、数段階の知能レベルが可能である。変形例１は、システムの電源をオンオフするオプションを提供しない。結果的に（ユーザが装着している場合）、常時、電源オンとなる。変形例２は、ユーザがシステムの電源を（例えば、起動ボタンを押すことで）オンオフ可能である。変形例３は、センサと、センサによって生成されたデータを処理する制御部との一体化を提供する。この情報により、筋電（ＥＭＧ）又は力センサによる負荷データが、負荷のレベルに応じてシステムを制御するために使用される。軽微な負荷の場合には、システムは動かないが、例えば、負荷が臨界値を上回ると能動的に付加される。
本発明の主題は、異なるシナリオもカバーする。これらは、以下の使用ケースにおいて説明される。
使用ケース１は、例えば、肩部乃至腕部領域の過負荷を回避するシステムの使用を提供する。このケースでは、装置は力を伝えるために使用される。実施形態によっては、システムは恒久的に使用されるか又は一時的に使用されるかのいずれかの使用状態となる。システムに多少の知能がある場合、システムは、健康に対しマイナスの影響（早期の関節摩耗等）がある過負荷の場合に、生理的に耐えられるレベルの負荷に戻すのに必要な臨界量まで、装着者への過負荷を減らす。そのため、システムの目的は、装着者への過負荷を制御下で減少させることであり、その負荷の完全な除去ではない。装着者への生理的に耐えられる負荷は、装着者の健康に対してプラスの影響がある（健康維持）ため、明示的に望まれるものである。概して、装置がユーザに対し最適に適合している場合、装置は人間の動作を抑制しない。人と機構は、時間的に及び空間的に同期し、共に動作する。過負荷の場合、負荷の掛かる人体の領域に平行に配置される装置は特に力を伝達する。上述のように、人間の動作と負荷プロファイルの変化の最中における装置の制御は、様々な方法で行われてよい。ここで、装置の構成はシステム装着者に適合し、タスクが行われる。
使用ケース２は、概して、ユーザがタスクを行えるようにするため、例えば、頭の高さ以上での作業等の人間工学的に困難な作業に対し、単に力を安定させ、増加させる目的のためにシステムを使用することを提供する。この場合、装置は、まず、動作を増強又は特に動作を安定させるために使用される力を発生させるために使用される。次に、力が伝えられる（使用ケース１参照）。実施形態によっては、システムはまた、恒久的に又は時々のいずれかでアクティブである。システムに多少知能がある場合であって、サポートが「必ずしも必要ない」場合、システムは、困難なタスクに支援を提供するのみで、サポートを最小限まで減らすべきである。そのため、システムの目的は、システム装着者の動作を制御下でサポートすることである。例えば、肩を回す若しくは下げる若しくは上げる又は腕を上げる人間の動作の場合、人間の負荷の掛かった領域に並列して配置された装置は、（知能システムの場合、必要な分だけの）動くために必要な力と、動作がかなり小さい場合、安定させるために必要な力とを提供するだろう。以上のように、装置は人間の動作と負荷プロファイルが変化する最中に様々な方法で制御できる。ここで、装置の構成はシステム装着者に適合し、タスクが行われる。
本発明の主題は、装置が身体に近接していることに起因する肩の回転又は上げ下げ等の制限によらず、人間の回転系及び線形系動作を可能にする装置の運動学的構造体によって特に特徴付けられる。
概して、全体的なコンセプトは、特に回転及び並進的な人間の動作を発生させる装置の複雑さを軽減させる。なぜなら、鉛直方向の動作が考慮され、これにより水平方向の動作用の稼動要素及びセンサ（後者は主に能動的なシステム用）に課された要求を最小化させるからである。
他の特別な特徴は制御部である。選択された制御の種類によっては、使用ケースに応じて、タスクを行うために過負荷が回避されるべき場合又はサポートが必要となる場合のみ、システムが稼動する。過負荷を回避する一例としては、装着者が過負荷に気付いて能動的にシステムを始動するか、システムが過負荷を自動で検知するように構成されているかのいずれかの場合における、手動での負荷の取り扱いが挙げられる。頭の高さ以上での活動に対して提供されるサポートは、タスクを実行する際に提供されるサポートの一例である。手順は第１例のものと同等である。
設計によっては、装置は様々な部材と異なる数のこれらの部材を備えてもよい。構成、すなわち、システム全体と装置の両方又はいずれか一方を形成するように部材を組立てる方法と部材の選択は、システムのユーザとタスクによって最初に提供されている要求事項に応じて決定される。システムとユーザとの間の接続は、リュックサック、キャリーケース又は衣類等の様々な方法で実現可能である。一方で、システムは、人体の部位に作用する力を伝達させることによって、身体部位を過負荷から保護することができる。他方で、システムは、人間の動作をサポートすること、容易にすることの両方又はいずれか一方を行い、位置を安定させることができる。ここでの典型的なタスクは、工場生産又は通商において頭の高さ以上で作業をすることであるだろう。システムは、稼動ユニット又はアクチュエータのみならず、少なくとも１つの生体力学的及び並進的な人間の動作を実現する装置と少なくとも２つの人間機構間インターフェースからなる。少なくとも２つの人間機構間インターフェースの１つは力を吸収、すなわち、人体構造から技術システムへ力を伝えるものであり、もう１つは、力を伝達、すなわち、技術システムから人体構造へ力を伝えるものである。能動的なドライブユニットを有するもの等の特定の変形例では、例えば、センサ及び制御ユニットを追加することが可能であり、場合によっては、必要ですらある。
装置は、特に、長時間に亘る人間工学的に困難又は反復的なタスクを行わなくてはならない人間をサポートするために使用されてもよい。さらに、システムは、中期的には、弾性又はフレキシブルな技術部材若しくは技術接合部の少なくともいくつかを、安定させるため又は他の形態の生物をサポートするために使用されることが意図される。
そのため、本発明は、力を伝達し、増強することで、人間、その他の生物又は技術システム（例えば、産業ロボット）の身体の少なくとも一部の補助と保護の両方又はいずれか一方を行い、概して特定のタスクの実施を可能にする装置を提供する。
運動学的な状況、特にユーザの関連性のある身体部位の生体構造及びタスクは、装置の設計、構造及び構成において考慮されなくてはならない。特に２種類の人間機構間インターフェース、回転系及び並進系の人間の動作を実現する装置、並びに制御部を含むアクチュエータ及びおそらくセンサがここでは考慮されなくてはならず、装置の性能にとって重要である。これらの要素は、装置が様々な自由度を有してもよいように堅固に又は柔軟に接続されてよい。あらゆるタイプの幾何学的設計の可能性がある。
本発明の主題は、運動学的構造体がサポート装置を使用する人の生体力学に適合しているため（このため、ユーザに高い確率で受容される）、人機械間インターフェースインターフェースにおいて軽微な反力のみをもたらす。その構造に起因して、システムは、技術システムに個別に力を導入すること、重要な人体構造のまわりに個別に力を伝達すること及び技術システムから技術システムに個別に力を導入することを可能にする。ここで、本発明の中核部は人間生体力学と並列して動作し、擬人化されるように設計されることが好ましい。しかしながら他の設計も可能である。特に強調すべきは、生理学的な脊椎の二重のＳ字形に適合し、それにより、胸椎後彎及び腰椎前彎の配置に適合可能なシステムを可能にする技術的胴体の骨格（Ｓプロファイルシステムと呼ばれる）となり得る実施形態である。
要約すれば、装置は、センサ装置及び制御ユニットを有する能動的なケースでは、装置とユーザとの間に１以上のインターフェース（好適には２つ）、（例えば、肩の）回転系及び並進系の人間の動作を生み出す１以上の手段及び受動的と能動的の両方又はいずれか一方の駆動機構を備える。装置は、例えば、頭の高さ以上での人手による作業を人間工学的により良好に行うことを可能にする一方、他方では、肉体的に非常に骨が折れる又は重大なタスクを行うことを可能にすることができる。システムは、上肢にサポートを提供することで、特にユーザが持つ物体の重量を相殺できる。回転系及び並進系の人間の動作を生じさせる装置の少なくとも一部の、能動的に駆動され、受動的な自由度の固有の装置に起因して、考えられる実施形態では、特に上肢から胴体まで鉛直に作用する力を伝えることが可能である。一方で、ユーザは水平方向には、ほんのわずかに規制されている。そのため、健康上の理由から有益で、水平レベルでの取り扱いに重要な動作から、重量によって引き起こされる有害な負荷を建設的に分離させることが可能である。
これらの種類のシステムは、早期の摩耗及び裂けを減少させ、従業員の肉体的動作を減少させることができるため、様々な適用態様において、従業員を持続的な作業環境に慣れさせることができる。システムは、例えば持ち上げたり運んだりするタスクのための専門的なセクタと、例えば、ランプを取付ける又はペンキ塗りの時等の私的な活動領域との両方で利用できる。
本発明の主題は、過負荷によって引き起こされるダメージを回避し、人間工学的に困難な活動にサポートを提供する、携帯型で、特にウェアラブルなシステムである。システムの具体的な設計に関しては異なる変形例も考えられる。ユーザの可動性、すなわち、人間の動作は一般的に影響を受けないか、あるいは損なわれない。アルミニウム、布地、ＧＲＰ、ＣＦＰ又はプラスチック等の軟質又は硬質であることができる様々な種類の材料が、システムの構造体に使用されてもよい。
要約すると、本発明の主題は、特に以下の態様により特徴付けられる。
− 運動学的構造体の回転自由度及び並進自由度の特有の結合により、サポートシステムの忠実性が顕著に高い動作がもたらされる。
− 装置の他の顕著な利点は、より簡単で、より小型で、よりコスト効率の良い設計である。
− 身体に近接又は装着するシステム用の人間に似た形の設計を作成する運動学の構成のために（特に生体力学的分析よる）特別な測定が考慮される。このことは、自由度の減少にもかかわらず、忠実性が顕著に良い動作を再現する。
− モジュール式の構造体及び特別に提供される適合選択性は、本発明に係る装置の最適使用の容易性を高める。
顕著に好ましい適合選択性及び顕著に身体に近接し小型であるシステムの設計のみならず、主として重量による力を補償する運動学的構造体と作動要素の両方又はいずれか一方に起因する無視できる束縛力（システムの使用の選択はユーザにゆだねられるという意味）は、高い受容性をもたらす。
以下、本発明の実施形態例を図面に示し、さらに詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る外骨格を側面から見た模式図を示す。 本発明の実施形態に係る間隔を隔てて補強装置を有する外骨格を側面から見た模式図を示す。 本発明の他の実施形態に係る間隔を隔てて補強装置を有する外骨格を平行斜視的に見た模式図を示す。 本発明の他の実施形態に係る間隔を隔てて補強装置を有する外骨格を側面から見た模式図を示す。 本発明の実施形態に係る肩部機構を示す。 本発明の実施形態に係る傾斜軸である第１回転軸を示す。 本発明の実施形態に係る肩部機構を等角図で示す。 本発明に係るサポート装置の第１例を示し、頭の高さ、あるいは頭の高さよりも上のいずれかでタスクを行う際におけるサポート装置と人との相互作用を身体の側面図により示す。 本発明に係るサポート装置の第１例を示し、静止姿勢におけるサポート装置と人との相互作用を身体の背面から示す。 本発明に係るサポート装置の第２例を示し、静止姿勢におけるサポート装置と人との相互作用を身体の背面から示す。 本発明に係るサポート装置の第３例を示し、静止姿勢におけるサポート装置と人との相互作用を身体の背面から示す。 本発明の実施形態に係る装置の分解組立図を示す。
本発明に係るサポート装置の好適な適用分野は、私的及び職業的環境で肉体的作業を行う人々を、例えば、自動車及び航空宇宙産業における技術者が行う取付けや組立てタスク等の頭の高さ以上で行われる作業等の人間工学的に重大なタスクにおいて、サポートすることである。これらはすべて、人間が行うことが現在でも将来的にも依然として好ましいタスクである。このことに対する需要は、人口統計的変遷と、より複雑でよりカスタマイズされた製品を原因とした生産環境における要求事項の増加とに起因して、絶え間なく増加している。本発明に係るサポート装置は、サポート装置がもたらす特有の負担軽減と支援によって、以前よりもより長時間の作業を行うことができるようにし、その結果、長時間の過負荷によって引き起こされるダメージを低減させる。（重い荷物の取り扱い等の）特別なスキルを要する特定の作業も可能にする。さらに、以前はこれらの荷物の量に対して最適に装備していなかった人々のグループにとっても作業をより簡単にできる。これらの適用例は、このトピックが大きな社会的関連性を持つことを示している（私的及び職業的環境における持続的な人材利用）。本サポート装置によって、対象となるサポートのために必要なシステム技術とのギャップは、人間を技術システムに置き換えることなく、縮小できる。結果的に、不適切な負荷を回避することで労働者１人あたりの病気欠勤日が減らせるため、経済全体を強化できる。
本発明の主題は、少なくとも１つの人体部位と並列して配置され、様々な方法で制御でき、全体としてサポート装置を構成する要素を備える装着可能なサポート装置で、ユーザをサポートする。これは、装置要素を規制及び制御する機能と、また、必要となる任意のセンサとを含んでよい。
以下、本発明に係る装置の使用ケース、すなわち頭の高さ以上での作業に基づき、実施形態を説明する。
図１は、側面から見た外骨格を示す。図１の外骨格１００は、背部部品１１０と、肩部機構２００と、骨盤支持部材１５０とを含むいくつかのモジュールを備える。背部部品１１０は、ここで骨盤支持部材１５０を肩部機構２００に接続される。肩部機構２００は、少なくとも１つの腕部支持体２４０と、１つの肩部部材２１０とを有する。背部部品１１０は、少なくとも第１フレキシブル領域背部手段１１１を有する。第１フレキシブル領域背部手段１１１は、ユーザが第１フレキシブル領域背部手段１１１を曲げることができるように、主伸張方向に垂直となるようにフレキシブルに設計されている。第１フレキシブル領域背部手段１１１は、直接的又は間接的に骨盤支持部材１５０に接続されるとともに肩部機構２００に接続される。第１フレキシブル領域背部手段１１１と骨盤支持部材１５０との間が間接的に接続される場合、第２フレキシブル領域背部手段１１２と接続部材１４０との両方又はいずれか一方が、第１フレキシブル領域背部手段１１１と骨盤支持部材１５０との間の接続を提供してもよく、第１フレキシブル領域背部手段１１１と第２フレキシブル領域背部手段１１２と間の距離は接続部材１４０によって調整可能である。そのため、外骨格１００は、様々な体形のユーザに適合できる。曲げ方向に第１フレキシブル領域背部手段１１１を個別に補強できるようにする第１補強装置１３０を第１フレキシブル領域背部手段１１１に適用してもよい。第１補強装置１３０は、第１フレキシブル領域背部手段１１１に接するユーザの背中に対して外側に適用できる。第１補強装置１３０は、２つの力点１２１、１２２によって、第１フレキシブル領域背部手段１１１に接続される。ここでは、第１力点１２１は、肩部機構側に配置され、第２力点１２２は骨盤支持部材側に配置される。
第２曲げ方向も個別に補強できるように、図１における第１フレキシブル領域背部手段１１１の内側に内側補強装置１３０ａも適用される。さらに、第１補強装置１３０の領域と内側補強装置１３０ａの領域とは、第１フレキシブル領域背部手段が第１曲げ方向と第２曲げ方向の両方向に補強されるように、重なり合っていてもよい。
図２は図１からの外骨格１００を基本的に示す。図２では、外骨格は、腕部支持体２４０と肩部部材２１０とを有する肩部機構２００を備える。さらに、外骨格１００は、背部部品１１０と、骨盤支持部材１５０とを備え、背部部品１１０は、骨盤支持部材１５０を肩部機構２００に接続する。図１とは異なり、図２は異なるタイプの補強装置１３０を有する。補強装置１３０は、さらに補強部材１３５を備え、補強部材１３５は、図２中では、第１力点１２１と第２力点１２２との間に配置される。第１力点１２１は、肩部部材２１０に配置される。第２力点１２２は、接続部材１４０に配置される。さらに、突出保持構造体１６０、１６１が、補強部材１３５が設置されている第１フレキシブル領域背部手段１１１に固定される。補強部材１３５は、例えば、張られたロープ又はバネとすることができる。保持構造体１６０、１６１により、第１フレキシブル領域のより個別な補強を確実にできるよう、補強部材１３５と補強される第１フレキシブル領域背部手段１１１との間の距離は調整可能である。さらに、補強装置１３０はロープ張力装置１７０を有する。このロープ張力装置１７０は、ロープ張力とバネ張力との両方又はいずれか一方を調整することを可能としている。調整は、手動又は自動で行うことができる。ロープ張力は、例えば、ユーザの身体サイズ、筋力及び行う作業等のユーザのニーズに対して好適に調整可能である。ロープ張力の自動調整のために、ロープ張力装置１７０にアクチュエータを設けてもよい。これは、例えば、空気圧シリンダ、油圧シリンダ、空気圧式筋肉、圧電素子又は電気モータであってもよい。さらに、アクチュエータの制御のために制御部及びセンサ装置を使用することも可能である。この方法で、アクチュエータは各状況に適合できる。すなわち、外骨格１００の働く力と角度との両方又はいずれか一方によって、補強装置１３０の補強が適合可能である。結果的に、背部部品１１０の補強が適合でき、ユーザは個々にサポートされる。
図３及び図４は、本発明の実施形態に係る外骨格１００を、それぞれ等角図又は横から見た図で示す。図１及び２とは異なり、図３の背部部品１１０は３つの部分を有する。すなわち、３つのフレキシブル領域背部手段１１１、１１２、１１３があり、２つの接続部材１４０ａ、１４０ｂにより接続されている。接続部材１４０ａ、１４０ｂは、各ユーザの身長に合わせて高さを調整可能となるように、接続されたフレキシブル領域背部手段間の距離の変更を可能にしている。さらに、図３は、外骨格をユーザの肩に心地良く位置付けるために使用される肩部パッド１８０を有する。第１回転軸１５１及び第２回転軸１５２を有する装置によって、第３フレキシブル領域背部手段１１３と骨盤支持部材１５０との間が接続される。第１回転軸１５１は、ユーザが横向きに背中を屈曲させること、すなわち、背中の側方湾曲を行うことを可能にする。第２回転軸１５２は、ユーザが前方に屈曲すること、すなわち、骨盤支持部材１５０の第３フレキシブル領域背部手段１１３に対する屈曲を可能にする。図３中、第１補強装置１３０は、第１フレキシブル領域背部手段１１１の上に掛けられる２つの並列補強部材１３５ａ、１３５ｂを有する。この場合、補強部材１３５ａ、１３５ｂは張られたロープである。第１力点１２１は、図２のように、肩部部材２１０に配置される。第１補強装置１３０の第２力点１２２は、接続部材１４０ａに配置される。補強部材１３５ａ、１３５ｂは、保持構造体１６０を貫通して第１力点１２１と第２力点１２２との間を接続している。さらに、保持構造体１６０は、第１フレキシブル領域背部手段１１１の補強部材１３５ａと１３５ｂとの間の距離を確保している。この装置により、第１補強装置１３０は、第１フレキシブル領域背部手段１１１を個別に補強できる。第２補強装置１３１は、第２フレキシブル領域背部手段１１２の上に配置される。第２補強装置１３１は、２つの並列補強部材１３６ａ、１３６ｂも有する。補強部材１３６ａ、１３６ｂは２つの接続部材１４０ａと１４０ｂとの間に張られ、第２フレキシブル領域背部手段１１２を個別に補強するように設計される。様々な補強部材１３５ａ、１３５ｂ、１３６ａ及び１３６ｂのロープ張力は、異なるように設計されても同じように設計されてもよい。さらに、図３は、図５乃至７でさらに詳細に説明される肩部機構２００を備える。
図５及び図７は肩部機構２００を示す。肩部機構２００は、以下のコンポーネントを有する。肩部部材２１０、２１０ａ、第１肩部接続部材２２０、第２肩部接続部材２３０及び腕部支持体２４０を有する。肩部部材２１０は、第１部分２１０と第２部分２１０ａとを有するように、２つの部分から構成されてもよい。従って、外骨格をユーザの肩幅に調整するために１部分を他方の部分に挿入できるため、並進軸２０５を提供できる。並進軸２０５は、一実施形態では、使用中に動かないように、そして、力が背部部品及び骨盤支持部材に効果的に伝達できるように、セットされた後にロックできる。肩部部材２１０又は２１０ａは、第１回転軸２１５を形成し、回転する態様で第１肩部接続部材２２０に接続される。第１回転軸２１５は、傾斜軸として設計可能であり、図６でさらに詳細に説明される。第１肩部接続部材２２０は、第２回転軸２２５によって、第２肩部接続部材２３０に接続される。第２肩部接続部材２３０は、第３回転軸２３５によって、腕部支持体２４０に接続される。第２回転軸２２５と第３回転軸２３５とは、０°乃至９０°の間の角度、特に、８５°±５°の角度で交差している。第２回転軸２２５と第１回転軸２１５は、第１肩部接続部材２２０が左右方向と背面に向かう方向との両方に突出しているため、直接的に交差していない。そのため、これら２つの回転軸は互いに直交するが、互いから間隔を隔てている。合計で３つの回転軸２１５、２２５及び２３５を有する上述の肩部機構２００は、ユーザの肩部領域において大きな可動性を実現する。アクチュエータ２５０は、腕部支持体２４０と第２肩部接続部材２３０との間に配置されてもよい。ユーザの腕をサポートするように設計されてもよい。結果として、ユーザは、工具を使用してより長い時間作業すること、頭の高さあたりでより良好に作業することの両方又はいずれか一方が可能となる。さらに、ユーザへの理想的なサポートを提供するようにアクチュエータ２５０を制御するため、センサが力又は角度を測定してもよい。
図６は、第１回転軸２１５の断面図を示す。さらに、図６は、第１肩部接続部材２２０及び肩部部材２１０ａを示す。第１回転軸２１５は、傾斜軸であり、５０°の角度で傾斜可能である。本設計では、ここでは５０°である所望の角度が２つの止め具でセットできるようになっている。これにより、人間の過度の伸張を予防している。
図８乃至１１は、それぞれ、頭の高さ以上での作業という適用態様に対するサポート装置、すなわち外骨格の考えられる実施形態を示す。本適用は人間工学的に非常に重大な使用ケースである。本適用は、特に生産業界において労働者が、彼らの肩部領域の慢性的なダメージを回避することを手助けするか（使用ケース１力の伝達)、あるいは頭の高さ以上での作業を行うことすらも可能にする（使用ケース２力の増大）。
図８は、サポート装置１００とユーザ１０１との相互作用とシステム要素間の相互作用とが示されているサポート装置１００の第１例を概説する。サポート装置１００は、２つの人機構間インターフェースによってユーザ１０１に接続される。サポート装置１００とユーザの上腕１０２との間の１つのインターフェースは、技術システムと人間の腕との間のインターフェース（腕部システム間インターフェース２４１）、例えば、腕部支持体として特定される。サポート装置１００と人間の胴体１０４間の１つのインターフェースは、技術システムと人間の胴体との間のインターフェース（システム胴体間インターフェース１０５）、例えば骨盤支持部材として特定される。システム胴体間インターフェース１０５は、装着者／接続システム１０６を有する。さらに、システム胴体間インターフェース１０５は、ユーザ１０１に特別に適合させなくてはならない人間の骨盤１０７との接続点を有する。さらに、サポート装置１００は、システム胴体間インターフェース１０５と腕部システム間インターフェース２４１との間に配置される、特に回転系の人間の動作を実現する装置２０１を有する。人間の動作を実現する装置２０１の考えられる構成は、３つの自由度を持つ。アクチュエータユニット又はアクチュエータは、図８には図示されていないが、必要とされることもある。アクチュエータユニット、さらには能動的なアクチュエータユニットに必要なセンサ及び制御部についての考えられる実施形態は、上述してある。
図９は、特に異なる構成の回転系及び並進系の人間の動作を実現する装置２０１を有する本発明に係るサポート装置１００の他の実施形態の第２の図面を示し、図８の構成は右側に、新たな変形例を左側に示す。部分的に並列運動学的構造体である左側の実施形態は、並進系の人間の動作の実現に加え、回転系の人間の動作の実現も可能にする。装置のこの運動学的構造体の特別部分は、人間の肩１０９の上に配置される。
サポート装置１００の他の実施形態は、図１０に示される。ここでの主要な相違部分は、回転系及び並進系の人間の動作を実現する装置２０１にある。この装置の構成は図８及び図９からの実施形態と比較すると、動作の忠実性を向上させるために根本的に異なっている。ユーザの背中上部に配置される並列運動学的構造体２２２は、人間の動作を実現する装置の「肩の持ち上げ／引き上げ」（２次元動作）機能を表す。
人間の動作を実現する装置２０１の第４実施形態は、図１１に概説される。この実施形態は、２つの自由度を有し、特に回転系の人間の動作を実現する。人間の動作を実現する装置２０１の異なるデザインにより、特に人間の肩１０９の上に、デザインの異なるシステム胴体間インターフェース１０５が必要となる。
４つの簡単に描かれたサポート装置、すなわち外骨格１００はすべて、図中、インターフェースによってサポート装置１００に直接的に接続されているユーザ１０１の少なくとも１つの腕(特に上腕１０２)をサポートする。回転系及び並進系の人間の動作を実現する装置２０１の様々な変形例が概説された。アクチュエータユニット並びに、能動的なシステムの場合はセンサと制御部の一体化及び構成に関する変形例及び実施形態は示されていない。実施形態は上述されている。
他の選択肢が図１２に示される。ここでは、背面又は背部部品の構成が異なっている。背部部品は、上部背部手段１１１、中央背部手段１１２及び底部背部手段１１３からなる。これに関して特別な点は、このデザインがすべてのユーザの身長に合わせることが可能な調整の選択肢を提供する点である。背面は、（脊椎を反映して）Ｓ状プロファイルになっている。背部手段は、プラスチック、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック又は金属等の様々な材料からできることができる。しかしながら、特に、炭素繊維強化プラスチックは、方向的な剛性に対しより簡単に適合する素材なため、この点において適切であると考えられる。その場合、背中を曲げることができるが、依然として生じる力も伝達できるほどの軟質な構造を構築できる。上部背部手段１１１は、辛うじて肩を覆うほどである。ここでは、力の吸収も伝達も行われないので、さらなる覆いは必要ない。この領域では、基準とロックのみが可能でなくてはならない。背部手段は、例えば、ネジによって、接続される。
これに加えて背部システムには、リュックサック保持部が提供される。特別部材が、一接続側に提供される。胸部拘束には他の接続部材が必要で、ユーザの胸部ストラップが含まれるが、ここでも、基準とロックのみの目的であって、力を伝達するためではない。次に、底部背部手段１１３は、骨盤ストラップ(不図示)に接続される。上部背部手段１１１に、接続部材１４０が取付けられ、他のシステム部品との接続を可能にする。これらは腕部運動学的構造体を含む一方、他方でヘッドレスト１１７を含む。腕部運動学的構造体との基本的な接続は、接続部材１４０に接続される偏向部材によって提供される。１つ又は２つの腕部部材がこの偏向部材に取付けられていてもよい。これらの腕部部材は、４つの機械的要素、人機構間インターフェース及びアクチュエータ（不図示)からなる。４つの要素には、腕部偏向部材間接続部２１１ａ、フォークブリッジ２２１、９０°偏向部材２３１及び腕部レバー２４２が含まれる。アクチュエータは、腕部レバー２４２と９０°偏向部材２３１との間に固定される。ガス圧バネ、空気圧アクチュエータ又は電気モータをアクチュエータとして使用してもよい。さらに、センサは対象数値の算出のために一体化できる。人機構間インターフェース２４３は、腕部レバー２４２に取付けられる。位置は制御により決定されてもよい。
図８乃至１１に示されるサポート装置が使用できる態様に関しては、ユーザがユーザ自身の四肢の重量と保持される工具の重量とに耐える必要が無いという点が重要である。特に、静的状況において人間の筋肉は、動的な負荷の場合、血液循環の減少に起因してその動作能力が制限される。しかしながら、一般的に、位置決めの際にユーザをサポートするか、あるいは水平方向に動力を増加させる必要は無い。そのため、ここで説明されている概念における構造及びデザインは、特に、垂直方向にサポートする一方、水平方向には可能な限り少ない力がユーザに伝達される。このことは、受動的に設計された回転軸が、重力方向に対して平行に延びていることに起因して達成される。能動的に又は受動的に駆動される回転軸は床に対して平行に延びる。回転軸でのトルクは、レバーアームが最大の時点で最高トルクに達するように、身体の縦軸とサポートされる身体部位に平行に延びる機械的構造体の縦軸との間の角度に応じて選択される。上腕に取り付けられるサポートシステムに関して、この原則は、現在の最大サポートトルクＭＤｒｉｖｅ,ｍａｘｉｍｕｍと、身体の縦軸と上腕との間の角度ｐｈｉＵｐｐｅｒａｒｍから、駆動トルク
Figure 2019513573
を導く。角度ｐｈｉＵｐｐｅｒａｒｍに加えて、サポート力が、作業の実施に必要な力より弱くなることを確実にするように、関節角度を上回る最大筋力のコース（筋力の曲線）等のさらなる生理学的パラメータを、計算に含むことができる。これは、システムはユーザを動かさないという意味である。ユーザは、常時、力をかけなくてはならない。他の身体関節に関しても、関節角度とサポート力との間で同じ関係性を築くことができる。適切な組み合わせは、動作の自由は侵害されない状態で重量によるいくつかの有害な負荷をユーザから取り除くことを確実にできる。
特に、肩部ストラップで発生するような並進系動作に関しては、他の動作パターンも考えられる。ここで、生理学的理由によって、上腕と身体の縦軸との間の角度が９０°を超えた場合に、重力に対抗する力をオンにすると理にかなう。
ユーザの意図を検知するために、さらなるセンサ(ＥＭＧセンサ等)を一体化することができる。特に重力による影響を補償するという概念は、最大サポート力ＭＤｒｉｖｅ,ｍａｘｉｍｕｍの状況的影響によって、維持され、拡大される。
説明された設計構造は、ポテンシャルエネルギーを簡潔に保管することが可能で（例えば、バネの弾性エネルギー又は加圧空気)、必要に応じて、ユーザに返還できる。
この剛体の考察に加えて、サポート装置がフレキシブル要素(特に背部領域)からなることに注目することも重要である。これらは、主サポート力の方向に対し剛性を持つが、他方向にはフレキシブルであるように適用される。従って、身体の形状及び動作（特に背中の屈曲、図１のシステム胴体間インターフェース１０５を参照）に適合できる。全体として、このことは、身体に近接した平らな構造を使用することで達成される。各身体部位まわりに布地ファスナ(図９の装着者／接続システム１０６参照)を使用することにより、構造体は身体部位に適合し、負荷が縦軸に対して平行にかかった場合も破断しない。
１００ 外骨格又はサポート装置
１０１ ユーザ
１０２ ユーザの上腕
１０４ 人間の胴体
１０５ システム胴体間インターフェース
１０６ 装着者／接続システム
１０７ 人間の骨盤
１０９ 人間の肩
１１０ 背部部品
１１１ 第１背部手段
１１２ 第２背部手段
１１３ 第３背部手段
１１４ リュックサック保持部用接続部材
１１６ 接合部材
１１７ ヘッドレスト
１２１ 第一力点
１２２ 第二力点
１３０ 第１補強装置
１３１ 第２補強装置
１３５ 第１補強部材(ａ、ｂ)
１３６ 第２補強部材 (ａ、ｂ)
１４０ 接続部材
１５０ 骨盤支持部材
１５１ 骨盤支持部材の第１回転点
１５２ 骨盤支持部材の第２回転点
１６０ 保持構造体
１６１ 保持構造体
１７０ ロープ張力装置
１８０ 肩部パッド
２００ 肩部機構
２０１ 人間の動作を実現する装置
２０５ 並進軸
２１０ 肩部部材
２１１ 偏向部材
２１１ａ 腕部偏向部材間接続部
２１５ 第１回転軸
２２０ 第１肩部接続部材
２２１ フォークブリッジ
２２２ 人間の動作を実現する装置の実施形態の並列運動学的構造体
２２５ 第２回転軸
２３０ 第２肩部接続部材
２３１ ９０°偏向部材
２３５ 第３回転軸
２４０ アームレスト
２４２ 腕部レバー
２４３ 人機構間インターフェース
２５０ 腕部サポータ(アクチュエータ)

Claims (41)

  1. 人間用外骨格(１００)であって、
    肩部部材(２１０)と、
    少なくとも１つの腕部支持体(２４０)と、
    骨盤支持部材(１５０)と
    第１端と、第２端とを有する背部部品(１１０)と、
    を備え、
    前記背部部品(１１０)は、第１端と第２端とを有する少なくとも第１フレキシブル領域背部手段(１１１)と、第１補強部材(１３５)を有する少なくとも第１補強装置（１３０）とを備え、
    前記第１フレキシブル領域背部手段(１１１)は、その第１端が前記背部部品(１１０)の前記第１端の方向に面し、その第２端が前記背部部品(１１０)の前記第２端の方向に面するように配向され、
    前記背部部品(１１０)の前記第１端は、前記肩部部材(２１０)に装着され、
    前記背部部品(１１０)の前記第２端は、前記骨盤支持部材(１５０)に装着され、
    前記腕部支持体(２４０)は、前記肩部部材(２１０)に直接的又は間接的に連接され、
    前記第１補強装置(１３０)は、特に曲げ方向において前記第１フレキシブル領域背部手段(１１１)を補強するように設計されている、人間用外骨格(１００)。
  2. 請求項１に記載の外骨格(１００)であって、
    第１力点(１２１)は、前記背部部品(１１０)の前記肩部部材側に設けられ、
    第２力点(１２２)は、前記背部部品(１１０)の前記骨盤支持部材側に設けられ、
    前記第１補強部材(１３５)は、曲げ力が特に一方向に増加するように前記第１フレキシブル領域背部手段(１１１)の曲げ線の外側で前記第１力点(１２１)と前記第２力点(１２２)との間に張られたロープである、外骨格(１００)。
  3. 請求項１又は２に記載の外骨格(１００)であって、
    前記背部部品(１１０)は、さらに第１端と第２端とを有する第２フレキシブル領域背部手段(１１２)と、接続部材(１４０)とを備え、
    前記第１フレキシブル領域背部手段(１１１)の前記第２端は、前記接続部材(１４０)によって、前記第２フレキシブル領域背部手段(１１２)の前記第１端と接続されている、外骨格(１００)。
  4. 請求項３に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第２フレキシブル領域背部手段(１１２)は、第２補強部材(１３６)を有する第２補強装置(１３１)を有し、
    前記第２補強装置(１３１)は、前記第２フレキシブル領域背部手段(１１２)を特に曲げ方向に補強するように構成され、
    前記第１補強装置(１３０)及び前記第２補強装置(１３１)は、異なるレベルの剛性を有する、外骨格(１００)。
  5. 請求項３又は４に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第１フレキシブル領域背部手段(１１１)と前記第２フレキシブル領域背部手段(１１２)の少なくとも一方が、前記接続部材（１４０）に対して長手方向に移動自在に配置されることによって、前記第１フレキシブル領域背部手段(１１１)と前記第２フレキシブル領域背部手段(１１２)との間の距離が調整可能である、外骨格(１００)。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第１補強部材(１３５)が前記第１及び第２のフレキシブル領域背部手段(１１１、１１２)の表面から間隔を隔てて配置されるように、少なくとも１つの突出保持構造体(１６０、１６１)が、前記第１補強装置(１３０)の前記第１補強部材(１３５)が載置される前記背部部品(１１０)から離れる側を向く前記第１及び第２のフレキシブル領域背部手段(１１１、１１２)の表面に配置されている、外骨格(１００)。
  7. 請求項２乃至６のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    少なくとも前記第１補強装置(１３０)は、ロープ張力を変更可能とするよう設計されているロープ張力装置(１７０)を有する、外骨格(１００)。
  8. 請求項７に記載の外骨格(１００)であって、
    少なくとも前記第１補強装置(１３０)は、第１アクチュエータを有し、
    前記ロープ張力装置(１７０)は、前記第１アクチュエータにより前記ロープ張力が変更可能となるよう設計されている、外骨格(１００)。
  9. 請求項８に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第１アクチュエータは、空気圧シリンダ、空気圧式筋肉又は電気モータである、外骨格(１００)。
  10. 請求項９に記載の外骨格(１００)であって、さらに
    特に角度又は力を測定するセンサ装置と、
    制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記第１及び第２の補強装置(１３０、１３１)のロープ張力が、状況に応じて適合可能となるように、前記センサ装置からのセンサデータに基づいて前記ロープ張力装置(１７０)の前記第１アクチュエータを制御するように構成されている、外骨格(１００)。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記背部部品(１１０)と前記骨盤支持部材(１５０)とは、前記背部部品(１１０)の表面に直交する第１回転軸(１５１)まわりに回転可能に接続されている、外骨格(１００)。
  12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記背部部品(１１０)と前記骨盤支持部材（１５０）とは、前記背部部品(１１０)の領域において、前記背部部品(１１０)の主方向に対して傾斜して延びている第２回転軸(１５２)まわりに回転可能に接続されている、外骨格(１００)。
  13. 請求項１１又は１２に記載の外骨格(１００)であって、
    前記外骨格(１００)は、さらに第２アクチュエータを有し、
    前記第２アクチュエータは、第１端と第２端とを有し、
    前記第２アクチュエータの前記第１端は、前記背部部品(１１０)に接続され、
    前記第２アクチュエータの前記第２端は、前記骨盤支持部材(１５０)に接続され、
    前記第２アクチュエータは、背中と骨盤との間の動作をサポートするよう構成されている、外骨格(１００)。
  14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    少なくとも前記第１フレキシブル領域背部手段(１１１)は、炭素繊維強化プラスチックから構成されている、外骨格(１００)。
  15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記外骨格(１００)は、肩部機構(２００)を有し、
    前記肩部機構(２００)は、前記肩部部材(２１０)、第１肩部接続部材(２２０)、第２肩部接続部材(２３０)及び前記腕部支持体(２４０)を有し、
    前記第１肩部接続部材(２２０)は、第１回転軸(２１５)によって前記肩部部材(２１０)に接続され、
    前記第１肩部接続部材(２２０)と前記第２肩部接続部材(２３０)とは第２回転軸(２２５)によって接続され、
    前記第２肩部接続部材(２３０)と前記腕部支持体(２４０)とは第３回転軸(２３５)によって接続され、
    前記第１回転軸(２１５)及び前記第２回転軸(２２５)は、互いに直角であるとともに互いから間隔を隔てて配置され、
    前記第２回転軸(２２５)及び前記第３回転軸(２３５)は交差している、外骨格(１００)。
  16. 請求項１５に記載の外骨格(１００)であって、
    前記肩部機構(２００)は、さらに前記肩部部材(２１０)に沿った並進軸(２０５)を有し、
    前記第１肩部接続部材(２２０)は、前記並進軸(２０５)に沿って可動である、外骨格(１００)。
  17. 請求項１５又は１６に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第１回転軸(２１５)は、０°乃至５０°の間の角度で傾斜可能な傾斜軸である、外骨格(１００)。
  18. 請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第２回転軸と前記第３回転軸との間の角度は０°乃至９０°の間である、外骨格(１００)。
  19. 請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、さらに
    第３アクチュエータを備え、
    前記第３アクチュエータは、第１端と第２端とを有し、
    前記第３アクチュエータの前記第１端は、前記腕部支持体(２４０)と接続され、
    前記第３アクチュエータの前記第２端は、前記第２肩部接続部材(２３０)と接続され、
    前記第３アクチュエータは、肩の動作をサポートするように構成されている、外骨格(１００)。
  20. 請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、さらに
    人機構間インターフェース(２４３)を有し、第１身体部位との間で相互に力を伝達する第１部分(２３１、２４２)と、
    人機構間インターフェース(１０５)を有し、第２身体部位との間で相互に力を伝達する第２部分(１１１、１１２、１１３)と、
    接続部材(２０１)と、
    アクチュエータユニットと、
    センサシステムと、
    制御部と、
    を備え、
    前記第１部分は、第２の機械的接続部と回転可能に接続され、
    前記第１部分と第２の機械的接続部の少なくとも１つは、前記アクチュエータユニットによって作動でき、
    前記制御部は、前記センサシステムによって測定された結果に基づき、前記アクチュエータユニットを制御するよう構成されている、外骨格(１００)。
  21. 請求項２０に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第１身体部位と前記第２身体部位は、単一の肢部関節、特に肩関節によって接続され、
    前記第１身体部位と前記第２身体部位は、特に同一人の腕と骨盤／臀部である、外骨格(１００)。
  22. 請求項２０又は２１に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第２の機械的接続部は、少なくとも１つの自由度を有する回転接続部である、外骨格(１００)。
  23. 請求項２２に記載の外骨格(１００)であって、
    前記回転接続部は、平行四辺形接続コンポーネント(２２２)又は台形接続コンポーネントを有する、外骨格(１００)。
  24. 請求項２２又は２３に記載の外骨格(１００)であって、
    前記回転接続部は、立位の人体に対する少なくとも１つの上下コンポーネントを備える、外骨格(１００)。
  25. 請求項２２乃至２４のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記回転接続部は、立位の人体に対する少なくとも１つの前後コンポーネントを備える、外骨格(１００)。
  26. 請求項２０乃至２５のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第２の機械的接続部は、軌道に沿う並進系接続コンポーネントを備える、外骨格(１００)。
  27. 請求項２６に記載の外骨格(１００)であって、
    前記軌道は、一直線のセグメントを有する、外骨格(１００)。
  28. 請求項２６又は２７に記載の外骨格(１００)であって、
    前記軌道は、円弧状のセグメントを有する、外骨格(１００)。
  29. 請求項２６に記載の外骨格(１００)であって、
    前記軌道は、人間の身体構造上の動作を模倣する、外骨格(１００)。
  30. 請求項２０乃至２５のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記第１部分の１つ及び前記第２部分の１つが、脊椎を模倣するサポート装置を有する、外骨格(１００)。
  31. 請求項２０乃至３０のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記外骨格は、少なくとも回転系と並進系の両方の移動又はいずれか一方の移動、精密で自然な人間の動作を許容する人間の生体力学的な動作の両方又はいずれか一方を実現する装置、すなわち、少なくともサポートされる人の領域の身体構造上の特徴に適合、サポートされる身体領域まわりへの力の伝達の両方又はいずれか一方、負荷の掛かった身体領域の力の伝達と吸収の両方又はいずれか一方に適合する、外骨格(１００)。
  32. 請求項３０又は３１に記載の外骨格(１００)であって、
    前記外骨格は、技術システムによって１つの人体構造から別の人体構造への対象となる力を伝達しやすくする少なくとも１つ、特に複数、特に２つの力点と、人と機構との間の領域の両方又はいずれか一方を備え、技術的要素の平行構造体によって、個別、別々の両方又はいずれか一方に切替可能な１以上の同じ力と異なる力の両方又はいずれか一方の経路に沿って既存の力を個別に伝達する、外骨格(１００)。
  33. 請求項２０乃至３２のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    プーリーのような構造によって、軸に配置されるアクチュエータ又は前記外骨格で駆動されるアクチュエータにより個別の調整動作が可能となり、
    すべての駆動軸は、重力に対抗するように配置されることが好ましい、外骨格(１００)。
  34. 請求項２０乃至３３のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    人体構造から技術構造体へ又は技術構造体から人体構造へと力を伝達する前記人機構間インターフェース（２４３）は、回転系と並進系の両方の動作又は一方の動作を実現する少なくとも１つの装置（２０１）と、力を伝達するための他の並列に配置される装置の両方又はいずれか一方に対する可能なインターフェースとともに、異なる形状及び異なる材料で構成される、外骨格(１００)。
  35. 請求項２０乃至３４のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    能動的な作動要素が前記外骨格に一体化され、前記外骨格は、少なくとも１つのスイッチ又は少なくとも１つのセンサの形態を有する制御の選択肢を少なくとも有し、前記スイッチは、回転系と、並進系の両方又はいずれか一方の人間の動作の実現及び対象となる力の伝達のための装置（２０１）によって可能となる動作の動作の形態の個別の制御を少なくとも承諾し、前記センサは、前記外骨格の要素を制御する前記制御部で処理されるデータであって、負荷に関するデータと、少なくとも１つの人体領域の少なくとも１つの動作を決定のためのデータの両方又はいずれか一方のデータを提供する、外骨格(１００)。
  36. 請求項２０乃至３５のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記外骨格のコンポーネントは、相対的な配置を可能とし、少なくとも１つの特徴を有するインターフェースと接続部材の両方又は一方で受動的と、能動的の両方又は一方で制御できるように、直接的又は間接的に前記接続部材に接続され、
    前記特徴は、幾何学的な決定と、適合の両方又は一方を可能にする、外骨格(１００)。
  37. 請求項２０乃至３６のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記外骨格は、少なくとも所定の調整力又は負荷及び動作依存の調整力を実現するためのアクチュエータを備え、負荷及び動作状態に対し予防的と、作動的の両方又は一方のサポートレベルと、関節角度の両方又はいずれか一方の前記外骨格の前記特徴を受動的、能動的の両方又は一方的に変更する、外骨格(１００)。
  38. 請求項２０乃至３７のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    前記外骨格は、少なくとも１つの軟質又は弾性の技術的又は生体力学的構造体と、技術的又は生体力学的要素の両方又は一方の対象となる制御可能な安定、補強又は起動を行うように構成され、動作の主方向にフレキシブルな状態を維持して力を主な負荷の方向に伝達できる、外骨格(１００)。
  39. 請求項２０乃至３８のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    少なくとも人体の領域における負荷と、人間の動作の両方又はいずれか一方を直接的又は間接的に測定するセンサの一体化が可能な構成を有し、キャプチャーされたデータによって、対象となる負荷及び動作に基づく制御を実現する、外骨格(１００)。
  40. 請求項２０乃至３９のいずれか１項に記載の外骨格(１００)であって、
    少なくとも前記外骨格と装置装着者との間の定義された位置の決定のための基準要素を備え、
    少なくとも前記外骨格の装着者の身体部位の少なくとも１つに前記外骨格を固定するロック部材が存在する、外骨格(１００)。
  41. システムであって、
    モジュール式アーキテクチャを有し、請求項２０乃至３９のいずれか１項に記載のモジュールで構築可能であり、要求事項の変更があった場合、再構成可能であることを特徴とするシステム。
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