JP2020032159A - アシスト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膝関節の屈伸動作に必要なアシストトルクを担保しつつ、小型かつ軽量なアシスト装置を提供する。【解決手段】人体の関節を基点とする第１の節部に装着可能な第１装具１０と、関節を基点とする第２の節部に装着可能な第２装具２０と、第１装具及び第２装具間に接続され、板面が人体の関節における回転方向と対応する方向に向けられた板バネ３０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、アシスト装置に関し、特に膝関節等を中心とした屈伸動作をアシスト可能なアシスト装置に関する。

近年、重量物を持ち上げる際の膝関節の屈伸動作により人体に加わる負荷を軽減することを目的として人体の脚部に装着可能なアシスト装置が提案されている。このようなアシスト装置の種別としては、外骨格型と内骨格型に大別され、前者の種別にあっては複数の剛体リンクをアクチュエータにより強制的に回転させることにより関節の動きをアシストする構造であり、トルクの伝達効率が高い反面、リンクの回転軸の存在によって関節の可動域を制限し易いと言う欠点がある。また、後者の種別にあっては、特許文献１に示すような複数の人工筋肉の収縮動作により関節の動きをアシストする構造であり、リンクの不存在によって可動域に制限が掛からないものの、トルクの伝達効率に難があるため、装置の大型化が懸念される。

ＷＯ２０１７／２１３１９８ Ａ１

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、膝関節等の屈伸動作に必要なアシストトルクを担保しつつ、小型かつ軽量なアシスト装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための構成として、人体の関節を基点とする第１の節部に装着可能な第１装具と、関節を基点とする第２の節部に装着可能な第２装具と、第１装具及び第２装具間に接続され、板面が人体の関節における回転方向と対応する方向に向けられた板バネとを備えた構成とした。本構成によれば、板バネによって必要なアシスト力を担保しつつ、小型かつ軽量なアシスト装置得ることができる。
また、第１装具及び前記第２装具のいずれかに、板バネの端部と接続され、関節の回転時に節部の延長方向に向けて摺動する摺動部を設けた構成としても良い。
また、第１装具を人体の大腿部に装着可能な大腿側装具とし、第２装具を人体の下腿部に装着可能な下腿側装具とし、板バネを、板面が人体の膝関節における屈伸方向と対応する方向に向けた構成としても良い。
なお、上記アシスト装置の適用部位はこれに限られず、例えば股関節を基点とした腰部と大腿部間への装着、肘関節を基点とした上腕部と前腕部への装着、距腿関節（くるぶし）を基点とした下腿部と足部への装着も可能である。
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

アシスト装置（実施形態１）の装着状態を示す図である。 アシスト装置の構造を示す概略斜視図である。 他の実施形態（実施形態２）に係るアシスト装置の概要を示す図である。 他の実施形態（実施形態３）に係るアシスト装置の概要を示す図である。 アシスト装置の動作を示す模式図である。 アシスト装置の取り付け状態を示す概要図である。 アシスト装置の動作を示す模式図である。

以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明され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に示すように、実施形態１に係るアシスト装置１は、人体の下半身（脚部）に装着可能とされた装具であって、第１装具としての大腿側装具１０と、第２装具としての下腿側装具２０と、大腿側装具１０及び下腿側装具２０を弾性的に接続する板バネ３０とを備える。

図２に示すように、大腿側装具１０は、膝関節Ｑよりも上方に位置する大腿部に取着される部材であって、大腿部の周囲に沿って取り付けられる装着部１２と、当該装着部１２に対して直立するように人体の側部側に突出する第１ベースプレート１４とを備える。装着部１２は、大腿部の周囲に密着可能な半割り状の形状を呈し、その周方向の両端部には上下に分かれて一対のバンド挿通部１２Ａ；１２Ｂが形成される。

図１に示すようにバンド挿通部１２Ａ；１２Ｂ間には、大腿部に架け渡されたバンドＤが挿通，固定されており、大腿側装具１０がバンドＤの締結力によって大腿部に固定される。

第１ベースプレート１４は、装着部１２が大腿部に固定された状態において人体の側部に突出すると共に、上下方向に延在する矩形の板状体であって、板バネ３０の一端側を保持する。第１ベースプレート１４は、前後方向に重ねあわされた薄板１４Ａ；１４Ｂにより構成され、板バネ３０の一端側が、当該薄板１４Ａ；１４Ｂ間に強固に挟持保持される。

板バネ３０としては、屈曲状態にある膝関節を伸展状態とするのに十分なアシストトルク目標値（本例では３０Ｎｍ）を発揮し得る弾性力を有する材質が選定可能であり、必要に応じてその枚数を増加した上で第１ベースプレート１４に挟持保持させても良い。
なお、上記アシストトルク目標値は、実験的に求めた値であって、一般的な体格である身長１７６ｃｍ、体重７０kgの人物が重さ１５kgの重量物を、膝関節を最も曲げた屈曲状態（３０°）から最も伸展した伸展状態（１８０°）に至るまでに膝関節に加わる負荷（関節トルク）を基準とした値である。実験によれば、屈曲状態から伸展状態に至るまでに加わる関節トルクの最大値は、屈曲状態から伸展状態に移行する直後に加わる９５Ｎｍであり、当該値を基準として約３０％程度のアシストトルクを発揮することをアシストトルク目標値として設定している。

板バネ３０の他端側は、下腿部に取着される下腿側装具２０の第２ベースプレート２４により挟持保持される。下腿側装具２０は、大腿側装具１０と同様の構成であって、下腿部の周囲に沿って取り付けられる装着部２２と、当該装着部２２に対して直立するように人体の側部側に突出する第２ベースプレート２４とを備える。これらの構成の詳細は、大腿側装具１０と同様であるので説明を省略する。

そして、上記大腿側装具１０及び下腿側装具２０が膝関節Ｑを隔ててそれぞれ大腿部及び下腿部に取着されると、板バネ３０の板面３０Ａ；３０Ｂが膝関節の屈伸方向（前後方向、図３の大腿部を基準とした矢印を参照）と対応する向きで接続された状態となり、板バネ３０が膝関節の屈伸動作に合わせて弾性変形（湾曲）し、特に屈曲状態から伸展状態に至るまでの動作に必要なアシスト力を発揮することが可能となる。

具体的には、アシスト装置１を装着した使用者が足元に存在する重量物を持ち上げるべく、膝関節を最も深く屈曲させた状態となった時、板バネ３０は当該屈曲動作に追従して最も湾曲した状態、即ち、自然長への復元力（アシストトルク）が最大の状態となり、重量物の把持後、膝関節が再び伸展状態に移行する際に最大のアシストトルクを発揮することとなる。

このように、本発明に係るアシスト装置１によれば、使用者の自重による膝関節の屈曲動作に伴って板バネ３０が弾性変形し、その復元力によって十分なアシストトルクを得ることが可能であるため、装置の小型化及び軽量化を実現可能である。また、外骨格型のような固定的な回転軸が存在しないため、使用者の膝関節の動き（ロールバック）を制限することがなく、装着時の違和感を限りなく低減することが可能である。

次に、他の実施形態（実施形態２）に係るアシスト装置１について説明する。図３に示すように、本実施形態に係るアシスト装置１は、大腿側装具１０及び下腿側装具２０間にワイヤ４０が接続された点で異なる。なお、大腿側装具１０及び下腿側装具２０の基本的構造は、前述の形態と同様であるため、その説明を省略する。

本実施形態に係るアシスト装置１は、重量物の持ち上げ動作のみならず、使用者の歩行動作における違和感を払拭する構成である。上述の実施形態におけるアシスト装置１は、膝関節の伸展方向への動作をアシストする構成であるため、当該アシスト装置１使用時における歩行動作の妨げになることが懸念される。
即ち、人間の連続的な歩行動作中においては、後脚を前側に蹴り出す直前，直後に膝関節を僅かに曲げる必要があり、膝関節の伸展方向にアシストトルクを発揮する前述のアシスト装置１にあっては、上記膝関節の僅かな曲げ動作をアシストトルクに抗して意識的に行う必要が生じる。また、膝関節を意識的に曲げずに後脚を蹴りだすことは極めて不自然な動作となり、いずれにしても歩行時においては継続的にストレスを感じることになる。

そして、本実施形態に係るアシスト装置１においては、上記ストレスを緩和すべく、ワイヤ４０及び当該ワイヤ４０の牽引によって伸縮する圧縮バネ５０を採用している。

図２に示すように、ワイヤ４０の一端部４０Ａは、大腿側に取着された大腿側装具１０の固定部を介して固定的に接続されている。一方、ワイヤ４０の他端部４０Ｂは、下腿側装具２０の上端部に取り付けられたプーリＰに架け渡され、下腿側装具２０に内挿された圧縮バネ５０の下端部と接続されている。圧縮バネ５０は、下腿側装具２０の側部に取り付けられたシリンダ状のバネブラケット５２内に内挿されており、下端側に接続されたワイヤ４０が上方側に牽引されることにより収縮し、自然長への復元力を蓄積する。

そして、このような構成によれば、膝関節の最大伸展時（脚部が伸びきった状態）において圧縮バネ５０が最も収縮してその反力（復元力）が最大となり、板バネ３０によって伸展方向に加わるトルクに打ち勝つように圧縮バネ５０が膝関節の僅かな曲げ動作をアシストすることが可能となり、使用者が後脚を前側に蹴り出す直前，直後に膝関を意識的に曲げようとする必要がなくなり、使用時における歩行の違和感を解消することが可能となる。なお、圧縮バネ５０による曲げ方向へのアシスト力は、圧縮バネ５０のバネ定数、使用者の身長等に対応したワイヤ４０長さ等を加味して適宜設定すれば良い。

次に、他の実施形態（実施形態３）に係るアシスト装置１について説明する。図４に示すように、本実施形態に係るアシスト装置１は、大腿側装具１０及び下腿側装具２０の構造が上述の実施形態とは異なり、さらに、その装着部位も異なる。

本実施形態に係る大腿側装具１０は、仮想線で示す膝関節Ｑよりも上方に位置する大腿部の裏面（太腿裏）に取着される装着部６０と、当該装着部６０に対して上下方向に摺動可能に設けられたスライダとしての摺動部７０とを備える。装着部６０は、前述の装着部１２と同様に、大腿裏の周囲に密着可能な半割り状の形状を呈し、その周方向の両端部には上下に離間して上下方向に延在するバンド挿通部１２Ａ；１２Ｂが形成される。装着部６０の周方向中央部には、摺動部７０を摺動可能とするスライド機構８０が形成される。バンド挿通部１２Ａ；１２Ｂ間には、大腿部の周囲を巻回するバンドＤが締結され、脱落不能とされる。

スライド機構８０は、装着部６０の上下方向に沿って延在する一対の側壁部８２Ａ；８２Ｂと、当該側壁部８２Ａ；８２Ｂの下端部同士を接続し、左右方向に延在する底壁８４によって囲まれる矩形上のスライド規制部８６と、当該スライド規制部８６の中央部に形成されたスライドレール９０とを備える。側壁部８２Ａ；８２Ｂは、板状に形成された摺動部７０の摺動方向を上下方向に規制する。底壁８４は、摺動部７０の底面７０Ａと当接し、摺動部７０の下方への移動量（下限）を規制する。

スライドレール９０は、上下方向に沿って延在する溝状に形成されており、当該スライドレール９０と対応する摺動部７０の一方の板面７０Ｂから突出し、スライドレール９０と係合可能に形成された図外のスライダと係合することにより、摺動部７０がスライド規制部８６内において上下方向に摺動可能となる。なお、摺動部７０の上方への移動量（上限）は、スライドレール９０の延長長さに対するスライダの延長長さ等の関係により適宜設定可能である。

上述のように摺動可能に構成された板状の摺動部７０には、板バネ３０が強固に取り付けられる。具体的には、摺動部７０は、例えば２枚の板状体が重ね合わされて構成されており、当該２枚の板状体の間に板バネ３０の一端部が挟持されることにより、摺動部７０と一体化される。なお、板バネ３０としては上述の実施形態と同様に必要に応じて枚数を適宜設定可能である。板バネ３０の他端部側には、下腿側装具２０が接続される。以下、下腿側装具２０の構成について説明する。

下腿側装具２０は、膝関節Ｑよりも下方に位置する下腿部の裏面（脹脛）に取着される装着部６０と、当該装着部６０に対して固定的に設けられた固定部９５とを備える。装着部６０は、前述同様に、脹脛の周囲に密着可能な半割り状の形状を呈し、その周方向の両端部には、上下に延在するバンド挿通部１２Ａ；１２Ｂが形成される。装着部６０の周方向中央部には、板状に形成された固定部９５を取り囲む収容部９６が形成される。バンド挿通部１２Ａ；１２Ｂ間には、下腿部の周囲を巻回するバンドＤが締結され、脱落不能とされる。

収容部９６は、上述のスライド規制部８６と同様に上方を除く三方が壁部として形成されており、これらの壁部によって固定部９５が取り囲まれた状態で止めねじ等の固定手段を介して固定される。板状の固定部９５は、摺動部７０と同様に２枚の板状体によって構成されており、当該板状体の間に板バネ３０の他端部が挟持される。

次に、図５に示す模式図を参照して、アシスト装置１の動作について説明する。図５（ａ），（ｂ）は、人が直立状態（伸展状態）から膝関節Ｑを中心として屈曲状態に移行した場合の大腿側装具１０及び下腿側装具２０の状態、特に、大腿側装具１０における摺動部７０とスライド機構８０との位置関係を模式的に示す図である。同図（ａ）に示す通り、直立状態においては、摺動部７０がスライド機構８０内における下限に位置しており、腿側装具１０の下端部から下腿側装具２０の上端部に至る板バネ３０の長さはＬとなる。

そして、上記直立状態から同図（ｂ）に示す屈曲状態に移行した場合、板バネ３０の一端部及び他端部同士が互いに近づく方向に湾曲すると共に、摺動部７０と接続された板バネ３０の一端側（上端側）は、摺動部７０の上方への摺動によって徐々に上方に引き込まれ、摺動部７０の上端部がスライド機構８０の上端部８０Ａよりも上方に突出した状態の上限まで移動することとなる。そして、この時の腿側装具１０の下端部から下腿側装具２０の上端部に至る板バネ３０の長さは、直立状態における長さＬよりも短くなるため、上記上限までスライドした状態における板バネ３０の復元力も最大となり、屈曲状態から直立状態へ復帰するまでの動作に必要なアシスト力を得ることが可能となる。

図６は、上記実施形態に係るアシスト装置１を距腿関節（くるぶし）を基点とした下腿部と足部への装着した例を示す。同図に示すように、本例におけるアシスト装置１においては、距腿関節を基点として上方に位置する下腿部に第１装具としての下腿側装具１００が装着され、下方に位置する足部に第２装具としての足部側装具１１０が装着される。また、下腿側装具１００及び足部側装具１１０は板バネ３０が身体の前方に沿う位置となるように装着されている。

そして、上記状態から図７に示す屈曲状態に移行した場合、上述の例のように、摺動部７０と接続された板バネ３０の一端側（上端側）が、摺動部７０の上方への摺動によって徐々に上方に引き込まれ、摺動部７０がスライド機構８０の上限まで移動することとなる。そして、この時の腿側装具１００の下端部から足部側装具１１０の上端部に至る板バネ３０の長さは、屈曲状態への移行前よりも短くなるため、上記上限までスライドした状態における板バネ３０の復元力が最大となり、屈曲状態から復帰するまでの動作に必要なアシスト力を得ることが可能となる。

以上の通り、本実施形態に係るアシスト装置１によれば、使用者の自重による屈曲動作に伴って板バネ３０が弾性変形し、その復元力によって十分なアシストトルクを得ることが可能である。また、前述の各実施形態との比較において、装置の全体構成が大幅に小型化、軽量化されているため、衣服の着用等を容易に行うことができる。なお、本実施形態に係るアシスト装置１は、身体に複数装着することも可能であり、例えば図示の大腿部及び下腿部、下腿部及び足部に加えて、腰部及び大腿部に装着することにより、屈んだ状態から床面に置かれた重量物を把持し、それを持ち上げる際に必要なアシスト力を下半身全体に作用させることが可能である。

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前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更又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が、特許請求の範囲から明らかである。

上述の実施形態１においては、板バネ３０を人体の側部側に設けた構成としたが、人体の前側（膝関節の前側）や後側（膝関節の後側）に設けた構成であっても良い。

１ アシスト装置，１０ 大腿側装具，１４ 第１ベースプレート，
２０ 下腿側装具，２４ 第２ベースプレート，３０ 板バネ，４０ ワイヤ，
５０ 圧縮バネ，７０ 摺動部，８０ スライド機構，９０ スライドレール

Claims (3)

1. 人体の関節を基点とする第１の節部に装着可能な第１装具と、
   前記関節を基点とする第２の節部に装着可能な第２装具と、
   前記第１装具及び第２装具間に接続され、板面が前記人体の関節における回転方向と対応する方向に向けられた板バネと、
   を備えたアシスト装置。
2. 前記第１装具及び前記第２装具のいずれかに、前記板バネの端部と接続され、前記関節の回転時に前記節部の延長方向に向けて摺動する摺動部を設けた請求項１記載のアシスト装置。
3. 前記第１装具は、人体の大腿部に装着可能な大腿側装具であり、
   前記第２装具は、人体の下腿部に装着可能な下腿側装具であり、
   前記板バネの板面が前記人体の膝関節における屈伸方向と対応する方向に向けられた請求項１又は請求項２記載のアシスト装置。