JP5878660B1 - 装着式動作補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装着者が自ら発生すべき筋力を可及的に抑え、利便性を損なう事態を抑えることのできる装着式動作補助装置を提供する。【解決手段】腰部の背面側において、左右方向にわたって装着される第１及び第２腰部フレーム１１０，１２０と、股関節の左右側において、第１及び第２腰部フレームの左右端を接合する側部フレーム１４０と、側部フレームに配設される左側及び右側アクチュエータと、装着者が体幹を起こそうとする際の筋活動あるいは体幹の角度を維持しようとする際の筋活動に伴う生体信号を装着者の腰部の背面で検出する検出部と、左側及び右側アクチュエータに取り付けられるとともに、左大腿部及び右大腿部に固定される左大腿固定部及び右大腿固定部と、検出部で検出される生体信号に基づき、側面視で、第１及び第２腰部フレームと左大腿固定部及び右大腿固定部とがなす角度が開くように、左側及び右側アクチュエータを駆動する制御部とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、装着式動作補助装置に関する。

身体障害者や高齢者にとっては、健常者であれば簡単に行える動作でも非常に困難である場合が多い。このため、今日では、これらの人達の動作を補助あるいは代行するために、種々のパワーアシスト装置の開発が進められている。また、身体障害者や高齢者ではなくても、日常生活での作業や労働中の作業において、動作を補助する装置が望まれている。

これらのパワーアシスト装置としては、例えば、利用者（以下「装着者」という）に装着される装着式動作補助装置（以下、単に「動作補助装置」という）がある。この種の動作補助装置には、装着者の動作に応じた当該装着者の関節の角度を検出する角度センサ（検出手段）と、装着者の動作パターンを構成する一連のフェーズの個々に対応する関節角度を基準パラメータとしてそれぞれ格納したメモリ（格納手段）とを備えるものが開発されつつある（例えば、非特許文献１）。

ここで、フェーズとは、一連の動作パターンを分割する上での最小単位となるものであり、装着者の動作補助のために求められる動力は、フェーズ毎に定まることとなる。

この動作補助装置においては、装着者の動作パターンの各フェーズを特定し、このフェーズに応じた動力を駆動源に発生させるための指令信号（制御信号）を生成する自律的制御手段を備えている。

この自律的制御手段は、コンピュータに自律的制御を実行させるプログラムからなり、角度センサにより検出された関節角度と、メモリに格納された基準パラメータの関節角度とを比較することにより、装着者の動作パターンのフェーズを特定できるように構成してある。

さらに、動作補助装置では、例えば、着席姿勢から起立するまでの一連の動作パターンの各フェーズに対応する関節角度を基準パラメータとしてメモリに予め格納しておけば、自律的制御手段による駆動源の制御によって、着席姿勢の装着者の腰、膝を回動させる筋力に対して駆動源がパワーアシストすることで装着者が楽に起立することができる。

従って、この動作補助装置では、自律的制御手段による指令信号のゲインを適切に設定すれば、装着者が自ら発生すべき動力（筋力）を可及的に抑えることができ、動作に伴う装着者の負担を抑える上で好ましいものとなる。

Takao Nakai, Suwoong Lee, Hiroaki Kawamoto and Yoshiyuki Sankai,"Development of Power Assistive Leg for Walking Aid using EMG and Linux," Second Asian Symposium on Industrial Automation and Robotics, BITECH, Bangkok, Thailand, May 17−18, 2001

ところで、上述した動力補助装置は、予め設定された動作パターンとなるように自律的制御手段によって駆動源を制御するものであり、しかも自律的制御手段による指令信号のゲインが所定のものとなるように設定してある。

このため、この動力補助装置では、例えば、装着者を起立させる操作が一旦開始すると、途中で当該装着者が着席したいと思っても、こうした装着者の意思を反映することができず、装着者に対して画一的な動作を強いることになる。

つまり、この動力補助装置では、装着者が自ら発生すべき動力（筋力）を可及的に抑えることができるという長所を有する反面、装着者に対して画一的な動作を強いるため、著しく利便性を損なう虞れがある。

そこで、本発明は、上記実情に鑑みて、装着者が自ら発生すべき動力（筋力）を可及的に抑えることができ、かつ、装着者の利便性を損なう事態を抑えることのできる装着式動作補助装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の装着式動作補助装置は、装着者に装着され、前記装着者の動作を補助する装着式動作補助装置であって、前記装着者の腰部の背面側において、左右方向にわたって装着される第１腰部フレームと、前記装着者の腰部の背面側において、前記第１腰部フレームよりも上側で左右方向にわたって装着される第２腰部フレームと、前記装着者の股関節の左側において、前記第１腰部フレームの左端と、前記第２腰部フレームの左端とを接合する左側部フレームと、前記装着者の股関節の右側において、前記第１腰部フレームの右端と、前記第２腰部フレームの右端とを接合する右側部フレームと、前記左側部フレームに配設される左側アクチュエータと、前記右側部フレームに配設される右側アクチュエータと、前記装着者の腰部の背面に装着され、前記装着者が体幹を起こそうとする際の筋活動あるいは体幹の角度を維持しようとする際の筋活動に伴う生体信号を検出する検出部と、前記左側アクチュエータに取り付けられるとともに、前記装着者の左大腿部に固定される左大腿固定部と、前記右側アクチュエータに取り付けられるとともに、前記装着者の右大腿部に固定される右大腿固定部と、前記検出部で検出される生体信号に基づき、前記装着者の側面視で、前記第１腰部フレーム及び前記第２腰部フレームと前記左大腿固定部及び前記右大腿固定部とがなす角度が開くように、前記左側アクチュエータ及び前記右側アクチュエータを駆動する、制御部とを含む。

装着者が自ら発生すべき動力（筋力）を可及的に抑えることができ、かつ、装着者の利便性を損なう事態を抑えることのできる装着式動作補助装置を提供することができる。

実施の形態の装着式動作補助装置１００を示す図である。 実施の形態の装着式動作補助装置１００を示す図である。 実施の形態の装着式動作補助装置１００を示す図である。 装着者が装着式動作補助装置１００を装着した状態を背面側から示す斜視図である。 装着式動作補助装置１００を装着した装着者の動作状態を示す側面図である。 装着式動作補助装置１００の可動範囲を示す図である。 側部フレーム１４０Ｌの内部に設けられるアクチュエータ２１０及びブレーキ部２２０と、大腿カフ１５０Ｌとの関係を示す図である。 ブレーキ部２２０の動作状態を示す図である。 装着式動作補助装置１００の制御部３００と、各部との接続関係を示すブロック図である。

以下、本発明の装着式動作補助装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１乃至３は、実施の形態の装着式動作補助装置１００を示す図である。図１（Ａ）は正面側を示す斜視図、図１（Ｂ）は背面側を示す斜視図である。図４は、装着者が装着式動作補助装置１００を装着した状態を背面側から示す斜視図である。図５は、装着式動作補助装置１００を装着した装着者の動作状態を示す側面図である。

図１に示すように、装着式動作補助装置１００は、腰部フレーム１１０、腰部フレーム１２０、支柱１３０、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒ、大腿カフ１５０Ｌ、１５０Ｒ、装着ベルト１６０、装着ベルト１７０、バッテリ１８０、及びセンサ１９０を含む。

図２には、図１に示す装着式動作補助装置１００から、大腿カフ１５０Ｌ、１５０Ｒのベルト部１５３Ｌ、１５３Ｒ、装着ベルト１６０、装着ベルト１７０を取り外した状態の装着式動作補助装置１００を示す。図３には、図２の装着式動作補助装置１００から、大腿カフ１５０Ｌ、１５０Ｒのステー部１５２Ｌ、１５２Ｒを取り外した状態の装着式動作補助装置１００を示す。

装着式動作補助装置１００は、図４に示すように、装着者の腰部に背面側から装着される。装着式動作補助装置１００は、装着者が図５（Ａ）に示すように屈んだ状態（中腰姿勢）から、図５（Ｂ）に示すように立ち上がる際に、腰部に対する大腿部の動きを補助するように補助力（アシスト力）を発生する装置である。このような装着者の動作は、例えば、中腰姿勢から立ち上がる動作、中腰姿勢から重量物を持ち上げる動作、移乗介助時の動作等である。

腰部フレーム１１０は、装着者の腰部の背面側において、左右方向にわたって装着される第１腰部フレームの一例である。腰部フレーム１１０は、例えば、ＣＦＲＰ（carbon-fiber-reinforced plastic：炭素繊維強化プラスチック）製の中空部材であり、人体の腰部の背面及び両側面の形状に合わせてラウンドした形状を有する。

腰部フレーム１１０は、装着者の腹側にわたされる装着ベルト１６０によって、装着者の腰部に装着される。腰部フレーム１１０は、装着された状態では、背面側よりも両端側が低くなるように、すなわち、長手方向の中央部（装着者の背面側に位置する部分）よりも両端が低い位置に位置するように、前傾姿勢で装着される。

腰部フレーム１１０の両端には、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒが固定されている。また、腰部フレーム１１０の長手方向における中央部には、支柱１３０が接続されている。

また、腰部フレーム１１０の長手方向の中央部には、バッテリ１８０が配設される。腰部フレーム１１０の内部は中空であるため、バッテリ１８０に接続される配線等が挿通される。バッテリ１８０は、装着式動作補助装置１００の装着側とは反対側の外側において、腰部フレーム１１０の長手方向の中央部に設けられる。

腰部フレーム１１０は、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの２分割式になっており、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒは、それぞれ、支柱１３０の左右に取り付けられることにより、腰部フレーム１１０を構築している。

フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの一端は、支柱１３０に取り付けられる。フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの一端には、支柱１３０の開口部に係合するピンが設けられており、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの一端を支柱１３０の開口部に差し込むことにより、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒは、支柱１３０に固定される。

このようなフレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの一端の断面形状は、楕円形である。これは、支柱１３０に対して、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒが回転しないようにすることにより、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒと支柱１３０とによって構築されるモノコック構造の強度を向上させるためである。

また、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの他端は、それぞれ、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒに取り付けられる。フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの他端には、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒの開口部に係合するピンが設けられており、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの他端を側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒの開口部に差し込むことにより、フレーム部１１０Ｌ、１１Ｒは、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒに固定される。

フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの他端の断面形状は、楕円形である。これは、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒに対して、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒが回転しないようにすることにより、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒと側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒによって構築されるモノコック構造の強度を向上させるためである。

なお、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの一端側と、支柱１３０の下側筒状部１３１との背面側（人体に装着した状態で、人体の背中に向く面とは逆の側）には、バッテリ１８０を取り付けるための凹部が形成されている。バッテリ１８０は、凹部に収納される。

腰部フレーム１２０は、装着者の腰部の背面側において、腰部フレーム１１０よりも上側で左右方向にわたって装着される第２腰部フレームの一例である。腰部フレーム１２０は、例えば、ＣＦＲＰ製の中空部材であり、人体の腰部の背面及び両側面の形状に合わせてラウンドした形状を有する。

腰部フレーム１２０は、装着者の腹側にわたされる装着ベルト１７０によって、装着者の腰部に装着される。腰部フレーム１２０は、装着された状態では、背面側よりも両端側が低くなるように、すなわち、長手方向の中央部（装着者の背面側に位置する部分）よりも両端が低い位置に位置するように、前傾姿勢で装着される。

腰部フレーム１２０の両端には、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒが固定されている。また、腰部フレーム１２０の長手方向における中央部には、支柱１３０が接続されている。すなわち、腰部フレーム１２０は、支柱１３０と側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒとによって、腰部フレーム１１０と固定されている。

また、腰部フレーム１２０の長手方向における中央部の外側（装着式動作補助装置１００の装着側とは反対側の外側）には、通気孔１２１が設けられる。

腰部フレーム１２０は、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの２分割式になっており、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒは、それぞれ、支柱１３０の左右に取り付けられることにより、腰部フレーム１２０を構築している。

フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの一端は、支柱１３０に取り付けられる。フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの一端には、支柱１３０の開口部に係合するピンが設けられており、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの一端を支柱１３０の開口部に差し込むことにより、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒは、支柱１３０に固定される。

このようなフレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの一端の断面形状は、楕円形である。これは、支柱１３０に対して、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒが回転しないようにすることにより、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒと支柱１３０とによって構築されるモノコック構造の強度を向上させるためである。

また、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの他端は、それぞれ、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒに取り付けられる。フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの他端には、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒの開口部に係合するピンが設けられており、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの他端を側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒの開口部に差し込むことにより、フレーム部１２０Ｌ、１１Ｒは、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒに固定される。

フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの他端の断面形状は、楕円形である。これは、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒに対して、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒが回転しないようにすることにより、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒと側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒによって構築されるモノコック構造の強度を向上させるためである。

支柱１３０は、腰部フレーム１１０の長手方向の中央部と、腰部フレーム１２０の長手方向の中央部とを縦方向に接続する部材である。支柱１３０は、例えば、強化樹脂製の中空部材であり、内部には、センサ１９０の配線が挿通される。また、支柱１３０の外側には通気孔が設けられる。また、支柱１３０の内部には、装着式動作補助装置１００の動作を制御する制御部が設けられる。

支柱１３０は、下側筒状部１３１、接続部１３２、及び上側筒状部１３３を有する。

下側筒状部１３１は、左右方向に伸延しており、両端にフレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒが差し込まれる。下側筒状部１３１の両端の開口は、フレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒの一端の断面形状に対応して楕円形である。

接続部１３２は、下側筒状部１３１と上側筒状部１３３を縦方向に接続する。接続部１３２は内部が中空であり、内部空間は、下側筒状部１３１及び上側筒状部１３３の内部空間と連通している。

上側筒状部１３３は、左右方向に伸延しており、両端にフレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒが差し込まれる。上側筒状部１３３の両端の開口は、フレーム部１２０Ｌ、１２０Ｒの一端の断面形状に対応して楕円形である。

また、支柱１３０には、装着ベルト１６０と装着ベルト１７０が取り付けられる。より具体的には、装着ベルト１６０は、下側筒状部１３１が取り付けられ、装着ベルト１７０は、上側筒状部１３３に取り付けられる。

なお、ここでは、支柱１３０が腰部フレーム１１０と腰部フレーム１２０との間に取り付けられる形態について説明するが、支柱１３０は、腰部フレーム１１０と腰部フレーム１２０とを上下方向に指示する強度を有していても、有していなくてもよい。

支柱１３０によってフレーム部１１０Ｌ、１１０Ｒ、１２０Ｌ、１２０Ｒが回転しないように保持されることによって、モノコック構造の強度が担保されている。このため、装着式動作補助装置１００は、支柱１３０を含まなくてもよい。この場合には、腰部フレーム１１０と腰部フレーム１２０は、それぞれ一体式に形成すればよく、側部フレーム１４０Ｌと１４０Ｒとの間でモノコック構造が構築される。また、この場合には、支柱１３０の内部に入っている配線等は、腰部フレーム１１０、１２０と、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒとのいずれかの中に収納すればよい。

側部フレーム１４０Ｌは、装着者の股関節の左側において、腰部フレーム１１０の左端と、腰部フレーム１２０の左端とを接合する左側部フレームの一例である。側部フレーム１４０Ｌは、側部フレーム１４０Ｒと略左右対称の構造を有し、腰部フレーム１１０と腰部フレーム１２０とを左側で固定する部材である。側部フレーム１４０Ｌは、例えば、強化樹脂製である。

側部フレーム１４０Ｌには、−（マイナス）ボタン１４１が設けられる。−ボタン１４１は、アクチュエータの駆動力を低下させるための入力ボタンである。また、側部フレーム１４０Ｌの内部には、アクチュエータとブレーキ装置が設けられる。装着式動作補助装置１００の電源がオンの状態では、−ボタン１４１は点灯する。

側部フレーム１４０Ｌには、フレーム部１１０Ｌ、１２０Ｌの他端が差し込まれる。側部フレーム１４０Ｌには、フレーム部１１０Ｌ、１２０Ｌに対応する２つの楕円形の開口部が設けられている。フレーム部１１０Ｌ、１２０Ｌの他端を側部フレーム１４０Ｌの２つの開口部に差し込むことにより、フレーム部１１０Ｌ、１２０Ｌは、側部フレーム１４０Ｌに固定される。

側部フレーム１４０Ｌの２つの楕円形の開口部に、断面が楕円形のフレーム部１１０Ｌ、１２０Ｌの他端を差し込むことにより、側部フレーム１４０Ｌに対してフレーム部１１０Ｌ、１２０Ｌが回転しないようにすることができる。このような構造により、フレーム部１１０Ｌ、１２０Ｌと側部フレーム１４０Ｌによって構築されるモノコック構造の強度を向上させている。

側部フレーム１４０Ｒには、＋（プラス）ボタン１４２と電源ボタン１４３が設けられる。＋ボタン１４２は、アクチュエータの駆動力を増大させるための入力ボタンであり、電源ボタン１４３は、装着式動作補助装置１００の電源のオン／オフを切り替えるためのボタンスイッチである。また、側部フレーム１４０Ｒの内部には、アクチュエータとブレーキ装置が設けられる。装着式動作補助装置１００の電源がオンの状態では、＋ボタン１４２及び電源ボタン１４３は点灯する。

側部フレーム１４０Ｒには、フレーム部１１０Ｒ、１２０Ｒの他端が差し込まれる。側部フレーム１４０Ｒには、フレーム部１１０Ｒ、１２０Ｒに対応する２つの楕円形の開口部が設けられている。フレーム部１１０Ｒ、１２０Ｒの他端を側部フレーム１４０Ｒの２つの開口部に差し込むことにより、フレーム部１１０Ｒ、１２０Ｒは、側部フレーム１４０Ｒに固定される。

側部フレーム１４０Ｒの２つの楕円形の開口部に、断面が楕円形のフレーム部１１０Ｒ、１２０Ｒの他端を差し込むことにより、側部フレーム１４０Ｒに対してフレーム部１１０Ｒ、１２０Ｒが回転しないようにすることができる。このような構造により、フレーム部１１０Ｒ、１２０Ｒと側部フレーム１４０Ｒによって構築されるモノコック構造の強度を向上させている。

このような構成により、腰部フレーム１１０、腰部フレーム１２０、支柱１３０、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒは、モノコック構造を実現している。腰部フレーム１１０と腰部フレーム１２０の断面の楕円形状と、支柱１３０、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒの開口部の楕円形状とは、図１に示す腰部フレーム１１０、腰部フレーム１２０、支柱１３０、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒのモノコック構造を構築するために、角度が合わせられている。すなわち、腰部フレーム１１０、腰部フレーム１２０、支柱１３０、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒを組み立てれば、図１に示すモノコック構造が完成するように楕円形状の角度が設計されている。

大腿カフ１５０Ｌは、側部フレーム１４０Ｌ内のアクチュエータによって、側部フレーム１４０Ｌに対して、側面視で回動可能に設けられている。大腿カフ１５０Ｌは、装着者の左大腿部にベルト部１５３Ｌによって固定される。

大腿カフ１５０Ｒは、側部フレーム１４０Ｒ内のアクチュエータによって、側部フレーム１４０Ｒに対して、側面視で回動可能に設けられている。大腿カフ１５０Ｒは、装着者の右大腿部にベルト部１５３Ｒによって固定される。

大腿カフ１５０Ｌ、１５０Ｒは、それぞれ、ステー部１５２Ｌ、１５２Ｒとベルト部１５３Ｌ、１５３Ｒを有する。ステー部１５２Ｌ、１５２Ｒは、それぞれ、側部フレーム１４０Ｌ、１４０Ｒ内のアクチュエータに接続され、側面視で回動可能に設けられている。ベルト部１５３Ｌ、１５３Ｒは、それぞれ、ステー部１５２Ｌ、１５２Ｒに取り付けられている。ステー部１５２Ｌ、１５２Ｒの長さは、例えば、身長が１４０センチから１８０センチの人体の大腿部の平均的な長さに合わせて設計されており、ベルト部１５３Ｌ、１５３Ｒが取り付けられる先端が膝に近くなりすぎず、かつ、股関節に近くなりすぎないように、適度な長さを有する。

装着ベルト１６０は、腰部フレーム１１０を装着者に取り付ける際に、腹側にわたされる装着ベルトである。装着ベルト１６０は、装着式動作補助装置１００を人体の腰部に取り付けるためのメインのベルトである。装着ベルト１６０の位置は、所謂ズボンに通すベルトの位置と略同じ高さになる。

装着ベルト１７０は、腰部フレーム１２０を装着者に取り付ける際に、腹側にわたされる装着ベルトである。装着ベルト１７０は、装着式動作補助装置１００の装着者が膝を曲げた状態から重量物を持ち上げる動作を行うときに、脚の動きに伴って生じる反力を装着者の腹部又は腰部に効率的に伝達するために、装着ベルト１６０よりも上側で人体に装着式動作補助装置１００を固定するために用いられる。

単に装着式動作補助装置１００を人体の腰部に取り付けるだけであれば、装着ベルト１６０だけで足りるが、膝を曲げた状態から重量物を持ち上げる動作を行うことを考えると、装着ベルト１６０よりも高い位置にある装着ベルト１７０で人体に装着式動作補助装置１００を固定することが、アクチュエータが発生する補助力を効率的に人体に伝達するために重要である。

バッテリ１８０は、装着式動作補助装置１００の装着側とは反対側の外側において、腰部フレーム１１０の長手方向の中央部の外側に設けられ、制御部、アクチュエータ、ブレーキ装置、及び−ボタン１４１、＋ボタン１４２、及び電源ボタン１４３に電力を供給する。

センサ１９０は、装着者の腰部の背面に装着され、装着者が体幹を起こそうとする際の筋活動あるいは体幹の角度を維持しようとする際の筋活動に伴う生体信号を検出する検出部の一例である。センサ１９０は、支柱１３０に設けられた孔部から支柱１３０の外側に伸延する配線の先端に接続されており、３つ設けられている。センサ１９０は、装着者の腰部の背面に貼り付けられることによって、装着者が体幹の筋肉を動かす際に発生する生体信号を検出する。センサ１９０で検出された生体信号は、制御部に入力される。なお、センサ１９０は、テープ等を用いて装着者の背中に貼り付けてもよいし、ゲル等を用いて貼り付けてもよい。

３つのセンサ１９０のうちの１つは、基準信号を測定するために用いられ、残りの２つのセンサ１９０は、生体電位信号を測定するために用いられる。

図６は、装着式動作補助装置１００の可動範囲を示す図である。図６には、装着式動作補助装置１００の左側面を示す。大腿カフ１５０Ｌは、側部フレーム１４０Ｌを回転中心として、図６に示す基準位置から、時計回りに１３０°、反時計回りに３０°回動可能である。このような動作により、装着式動作補助装置１００は、装着者が図５（Ａ）に示すように屈んだ状態から、図５（Ｂ）に示すように立ち上がる際に、腰部に対する大腿部の動きを補助するように補助力を発生する。なお、大腿カフ１５０Ｒの動作範囲も同様である。

図７は、側部フレーム１４０Ｌの内部に設けられるアクチュエータ２１０Ｌ及びブレーキ部２２０Ｌと、大腿カフ１５０Ｌとの関係を示す図であり、（Ａ）は分解図、（Ｂ）はアクチュエータ２１０Ｌ及びブレーキ部２２０Ｌを組み立てた状態を示す図である。

図７（Ａ）に示すように、アクチュエータ２１０Ｌの回動部２１１の周囲には、ブレーキ部２２０Ｌが配設される。側部フレーム１４０Ｌは、腰部フレーム１１０を接続する接続部１４１Ｌと、腰部フレーム１２０を接続する接続部１４２Ｌとを有し、ブレーキ部２２０Ｌの支持部２２１は、接続部１４１Ｌの内部に挿通されることによって側部フレーム１４０Ｌに固定される。

アクチュエータ２１０Ｌの回動部２１１Lは、内蔵モータによって回転可能である。これにより、図６に示すような大腿カフ１５０Ｌの回転動作が実現される。ブレーキ制御部４００Lが、アクチュエータ制御部３００からのブレーキ起動命令を受信するか、ブレーキ制御部４００Lがアクチュエータ制御部３００の誤作動または停止を検出したときにブレーキ部２２０Ｌに電力が供給され、回動部２１１Lの回転動作に対して制動力を発生するブレーキが実現される。ブレーキ部２２０Ｌには、ソレノイドの戻りバネが組み込まれており、ブレーキ制御部４００Lがアクチュエータ制御部３００からのブレーキ解除命令を受信するか、電源が遮断されたときにブレーキ部２２０Ｌへの電力供給が遮断され、ブレーキ状態が解除される。

ブレーキ部２２０Ｌは、支持部２２１Ｌ、ブレーキパッド２２２Ｌ、ブレーキリング２２３Ｌ、ブレーキリンク２２４Ｌを有する。

支持部２２１Ｌには、ソレノイドの戻りバネを構成するバネ２２１Ｌ１とソレノイド２２１Ｌ２が内蔵されている。バネ２２１Ｌ１は、ブレーキ部２２０Ｌが電源オフでソレノイド２２１Ｌ２に電流が流れていないときに自然長であり、図８（Ａ）に示すようにブレーキリンク２２４Ｌは、ブレーキリング２２３Ｌには押し当てられておらず、ブレーキ部２２０Ｌは、ブレーキが掛かっていない状態（フリーの状態）である。

ブレーキ部２２０Ｌが電源オンにされてソレノイド２２１Ｌ２に電流が流れると、ソレノイド２２１Ｌ２が発生する磁力によってバネ２２１Ｌ１が自然長よりも引き延ばされ、ブレーキリンク２２４Ｌが図８（Ａ）に示す状態から支持部２２１Ｌの外側に延出し、図８（Ｂ）に示すようにＣ字状のブレーキリング２２３Ｌの両端に押し当てられる。これにより、回動部２１１Lにブレーキを掛けることができる。

ブレーキパッド２２２Ｌは、Ｃ字型のブレーキリング２２３Ｌの内周面に取り付けられている円弧状に湾曲した板状の部材である。ブレーキパッド２２２Ｌは、例えば、ブレーキリング２２３Ｌの内周面にねじ止め、接着、又は、機械的に保持されることによって取り付けられている。

ブレーキリング２２３Ｌは、リング状の部材の円周方向の一部を切り離してＣ字型にした部材であり、両端に三角部２２３Ｌ１を有する。三角部２２３Ｌ１は、ブレーキリンク２２４Ｌの先端のＹ字部２２４Ｌ１と係合している。

ブレーキリンク２２４Ｌは、ブレーキリング２２３Ｌの両端の三角部２２３Ｌ１と係合するＹ字部２２４Ｌ１を有する。ブレーキリンク２２４は、支持部２２１Ｌの内部に配設されるバネ２２１Ｌ１に取り付けられており、バネ２２１Ｌ１が伸びると支持部２２１Ｌから押し出され、バネ２２１Ｌ１が縮むと支持部２２１Ｌ側に引き戻される。

図８（Ａ）には、ソレノイド２２１Ｌ２に電流が流れておらず、バネ２２１Ｌ１が自然長のときのブレーキリンク２２４Ｌの位置を示す。図８（Ｂ）には、ソレノイド２２１Ｌ２に電流が流れており、ソレノイド２２１Ｌ２が発生する磁力によってバネ２２１Ｌ１が自然長よりも引き延ばされているときのブレーキリンク２２４Ｌの位置を示す。

ブレーキ部２２０Ｌが電源オンにされてソレノイド２２１Ｌ２に電流が流れると、ソレノイド２２１Ｌ２が発生する磁力によってバネ２２１Ｌ１が自然長よりも引き延ばされ、ブレーキリンク２２４Ｌが図８（Ａ）に示す状態から支持部２２１Ｌの外側に延出し、図８（Ｂ）に示すようにＹ字部２２４Ｌ１がブレーキリング２２３Ｌの両端の三角部２２３Ｌ１に押し当てられる。

このとき、一対の三角部２２３Ｌ１同士の間の距離が縮みながら、一対の三角部２２３Ｌ１はＹ字部２２４Ｌ１の奥に押し入れられ、ブレーキリング２２３Ｌの両端間が縮められてブレーキリングのリング状の部分の直径が小さくなる。

これにより、ブレーキパッド２２２Ｌが回動部２１１Lの外周面に押し当てられる。ソレノイド２２１Ｌ２に流す電流の量を調整することにより、ブレーキパッド２２２Ｌと回動部２１１Lとの間の摩擦力が増大し、回動部２１１Lの回転動作に対してブレーキを掛けたり、回転動作を完全に止めることができる。

また、大腿カフ１５０Ｌは、回転軸１５１Ｌ、ステー部１５２Ｌ、及びベルト部１５３Ｌを有する。ステー部１５２Ｌは、回転軸１５１Ｌから回転軌道の径方向に伸延する部材であり、装着者の大腿部を動かすのに十分な剛性を有する。また、ステー部１５２Ｌの先端（図中の下端）には、大腿部にフィットさせるためにラウンドさせた部分を有する。このラウンドさせた部分は、例えば、カーボン製である。ラウンドさせた部分には、ベルト部１５３Ｌが取り付けられており、大腿部をラウンドさせた部分に固定できるように構成されている。

また、制御部は、アクチュエータ２１０Ｌの回転動作時に、大腿カフ１５０Ｌと腰部フレーム１１０及び１２０とから入力される装着者の反力を検出し、反力が所定レベル以下になると、ブレーキ部２２０Ｌの抵抗力を増大させて、アクチュエータ２１０Ｌの動作を停止させる。反力が所定レベル以下になる状態は、例えば、大腿カフ１５０Ｌ、ベルト１６０、又はベルト１７０が外れた状態である。

また、ブレーキ部２２０Ｌは、装着式動作補助装置１００の電源がオンのときに、制御部が停止又は誤作動すると、ブレーキ部２２０Ｌの抵抗力を増大させて、アクチュエータ２１０Ｌの動作を停止させるように構成されている。このような制御は、例えば、ブレーキ部２２０Ｌにマイクロコンピュータ等を組み込んでおき、制御部の動作状態を監視し、制御部が停止した場合に、抵抗力を増大させるように構成することによって実現可能である。制御部が停止してアクチュエータ２１０Ｌの駆動力がなくなった場合に、安全性を確保するためである。

また、このような非常ブレーキを掛けた場合には、報知音を出力するように構成してもよい。なお、非常ブレーキは、例えば、制御部の停止から０．２秒以内に作動するように構成されている。

なお、図７では、側部フレーム１４０Ｌの内部に設けられるアクチュエータ２１０Ｌ及びブレーキ部２２０Ｌと、大腿カフ１５０Ｌとの関係について説明したが、側部フレーム１４０Ｒの内部にも同様のアクチュエータとブレーキ部が配設される。

図９は、装着式動作補助装置１００の制御部３００と、各部との接続関係を示すブロック図である。

図９には、制御部３００に接続される構成要素として、−ボタン１４１、＋ボタン１４２、電源ボタン１４３、バッテリ１８０、センサ１９０、アクチュエータ２１０Ｌ、ブレーキ部２２０Ｌ、アクチュエータ２１０Ｒ、及びブレーキ部２２０Ｒを示す。アクチュエータ２１０Ｒ、及びブレーキ部２２０Ｒは、それぞれ、アクチュエータ２１０Ｌ、ブレーキ部２２０Ｌと同様であり、側部フレーム１４０Ｒの内部に配設される。

制御部３００は、電源ボタン１４３が押されると電源をオンにし、−ボタン１４１、＋ボタン１４２、電源ボタン１４３を点灯させるとともに、ブレーキ部２２０Ｌ及び２２０Ｒをオンにして、大腿カフ１５０Ｌ及び１５０Ｒが動かされると抵抗力を発生させる。制御部３００は、例えば、メモリを有するＣＰＵ(Central Processing Unit)チップで構成される。

そして、センサ１９０によって検出された生体信号が入力されると、−ボタン１４１又は＋ボタン１４２によって入力されるアクチュエータ２１０Ｌ及び２１０Ｒの駆動レベルに応じた駆動力をアクチュエータ２１０Ｌ及び２１０Ｒに発生させる。−ボタン１４１又は＋ボタン１４２は、制御部３００のトルクチューナを制御するためのボタンであり、トルクチューナは、アシスト力を５段階に設定することができる。例えば、トルクチューナを1に設定した場合には、20%のアシストトルクを上限とし、最大3Nmのアシストが受けられ、トルクチューナを5に設定した場合には、100%のアシストトルクを上限とし、最大15Nmのアシストが受けられる。また、トルクの上限を設定するためのトルクリミッターを設けてもよい。

この際に、制御部３００は、センサ１９０から入力される生体信号の信号レベルに応じて、駆動力を制御する。アシストを行うために本装置にはサイバニック随意制御（CVC: Cybernic Voluntary Control）モードが搭載されている。CVC モードの時は本装置内部において以下の順序でアシストトルクを決定する。(1) 腰部の生体電位信号から基準アシストトルクを計算する。(2) トルクチューナの値に基づき基準アシストトルクを増幅する。(3) 姿勢、動作内容に応じてアシストトルクを調整する。

また、制御部３００は、アクチュエータ２１０Ｌ及び２１０Ｒの回転動作時に、大腿カフ１５０Ｌ及び１５０Ｒと腰部フレーム１１０及び１２０とから入力される装着者の反力を検出し、反力が所定レベル以下になると、ブレーキ部２２０Ｌ及び２２０Ｒの抵抗力を増大させて、アクチュエータ２１０Ｌ及び２１０Ｒの動作を停止させる。反力が所定レベル以下になる状態は、例えば、大腿カフ１５０Ｌ、１５０Ｒ、ベルト１６０、又はベルト１７０が外れた状態である。このような状態で、安全性を確保するために動作を停止させるためである。

以上、実施の形態の装着式動作補助装置１００によれば、装着者が図５（Ａ）に示すように屈んだ状態から、図５（Ｂ）に示すように立ち上がる際に、腰部に対する大腿部の動きを補助するように補助力を発生することができる。

このような補助力は、センサ１９０によって検出される、装着者が体幹を起こそうとする際の筋活動あるいは体幹の角度を維持しようとする際の筋活動に伴う生体信号に基づいてアクチュエータ２１０Ｌ及び２１０Ｒが駆動されることによって発生される。

従って、装着者の意志に応じて必要な補助力を必要な方向に提供できる、利便性の高い装着式動作補助装置１００を提供することができる。

また、装着者が自ら発生すべき動力（筋力）を可及的に抑えることができ、かつ、装着者の利便性を損なう事態を抑えることのできる装着式動作補助装置を提供することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の接触型センサについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００ 装着式動作補助装置
１１０ 腰部フレーム
１２０ 腰部フレーム
１３０ 支柱
１４０Ｌ、１４０Ｒ 側部フレーム
１５０Ｌ、１５０Ｒ 大腿カフ
１６０ 装着ベルト
１７０ 装着ベルト
１８０ バッテリ
１９０ センサ
２１０ アクチュエータ
２２０ ブレーキ部

Claims (7)

1. 装着者に装着され、前記装着者の動作を補助する装着式動作補助装置であって、
   前記装着者の腰部の背面側において、左右方向にわたって装着される第１腰部フレームと、
   前記装着者の腰部の背面側において、前記第１腰部フレームよりも上側で左右方向にわたって装着される第２腰部フレームと、
   前記装着者の股関節の左側において、前記第１腰部フレームの左端と、前記第２腰部フレームの左端とを接合する左側部フレームと、
   前記装着者の股関節の右側において、前記第１腰部フレームの右端と、前記第２腰部フレームの右端とを接合する右側部フレームと、
   前記左側部フレームに配設される左側アクチュエータと、
   前記右側部フレームに配設される右側アクチュエータと、
   前記装着者の腰部の背面に装着され、前記装着者が体幹を起こそうとする際の筋活動あるいは体幹の角度を維持しようとする際の筋活動に伴う生体信号を検出する検出部と、
   前記左側アクチュエータに取り付けられるとともに、前記装着者の左大腿部に固定される左大腿固定部と、
   前記右側アクチュエータに取り付けられるとともに、前記装着者の右大腿部に固定される右大腿固定部と、
   前記検出部で検出される生体信号に基づき、前記装着者の側面視で、前記第１腰部フレーム及び前記第２腰部フレームと前記左大腿固定部及び前記右大腿固定部とがなす角度が開くように、前記左側アクチュエータ及び前記右側アクチュエータを駆動する、制御部と
   を含む、装着式動作補助装置。
2. 前記第１腰部フレーム及び／又は前記第２腰部フレームに配設され、前記制御部が誤作動または停止すると、前記左側アクチュエータ及び前記右側アクチュエータの動作に対して制動力を発生させるブレーキ装置をさらに含む、請求項１記載の装着式動作補助装置。
3. 前記左側部フレーム又は前記右側部フレームに配設される、電源スイッチと、前記左側アクチュエータ及び前記右側アクチュエータの駆動力を調整する調整スイッチとをさらに含む、請求項１又は２記載の装着式動作補助装置。
4. 前記第１腰部フレーム、前記第２腰部フレーム、前記左側部フレーム、及び前記右側部フレームは、モノコック構造を有する、請求項１乃至３のいずれか一項記載の装着式動作補助装置。
5. 前記第１腰部フレーム及び前記第２腰部フレームの前記左側部フレーム及び前記右側部フレームへの取り付け部の断面形状は、楕円形である、請求項１乃至４のいずれか一項記載の装着式動作補助装置。
6. 前記第１腰部フレームと、前記第２腰部フレームとの間に渡される支柱をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか一項記載の装着式動作補助装置。
7. 前記第１腰部フレーム及び前記第２腰部フレームは、それぞれ、前記支柱の左側と右側とで分割された２つのフレーム部を有し、前記第１腰部フレーム及び前記第２腰部フレームの前記２つのフレーム部の前記支柱への取り付け部の断面形状は、楕円形である、請求項６記載の装着式動作補助装置。

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