JP5883256B2 - 装着型動作支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置に関する。

近年、利用者の身体に装着されて、利用者の動作を支援する装着型動作支援装置が開発されている。例えば、利用者の歩行時や起立時などの股関節や膝関節の動きを支援する装着型動作支援装置は、下半身外骨格形状の装着具を備えている。この装着具は、例えば、利用者の腰に装着される腰装着部、大腿に装着される大腿装着部、および下腿に装着される下腿装着部等から構成されている。さらに、この装着具には、腰装着部と大腿装着部の間の股関節部、および大腿装着部と下腿装着部との間の膝関節部をそれぞれ動作させるためのアクチュエータが設けられている。

上記従来の装着型動作支援装置では、装着具の膝関節部近傍にアクチュエータが配置されているため、アクチュエータの重みにより膝関節部周りの装着具のイナーシャが増大し、装着者の軽快な歩行が阻害されたり、イナーシャを受けた装着具の動きを修正するためにアクチュエータの負荷が増大するという課題があった。そこで、特許文献１に記載の肢体アシスト装置では、装着具に大腿装着部と下腿装着部とを含む四節平行リンク機構を備えることにより、膝関節用アクチュエータの重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを軽減している。具体的には、この肢体アシスト装置は、第一のリンク部、大腿リンク部、下腿リンク部および第二のリンク部を順次回転自在に連結してなる閉じられた四節リンク機構と、第一のリンク部を駆動する膝関節用アクチュエータとを備えている。そして、肢体アシスト装置が具備するアクチュエータの中でも特に重量の大きい膝関節用アクチュエータを利用者の膝関節よりも体幹（胴体）方向へ配置している。

しかし、特許文献１に記載の肢体アシスト装置では、アクチュエータは股関節部の側部と膝関節の側部のそれぞれにおいて装着者の左右方向外側へ突出して配置されているので、外側へ張り出したアクチュエータが装着者の動作の妨げとなるおそれがある。そこで、特許文献２に記載の歩行補助装置では、使用者の大腿部の前方に２つのモータを配置し、各モータの出力をプーリおよびベルトからなる動力伝達機構を介して大腿フレームと下腿フレームへそれぞれ伝達するようにしている。また、特許文献３に記載の歩行支援装置では、使用者の臀部の後方と大腿部の後方にそれぞれモータを配置し、各モータの出力をプーリおよびベルトからなる動力伝達機構を介して大腿フレームおよび下腿フレームへそれぞれ伝達するようにしている。

特開２００６−３３４２００号公報 特開２００９−１７８３６９号公報 特開２００８−２２０６３５号公報

特許文献２では、装置の装着者の左右方向外側への張り出し量を低減することができるものの、モータが装着者の大腿部の前側に配置されるために、装着者が荷の昇降等の動作を行う際に、装着者の手や荷等がアクチュエータと接触するおそれがある。

また、特許文献３では、装置の装着者の左右方向外側への張り出し量を低減することができるものの、モータが装着者の大腿部の後側に配置されるために、装着者が着座したり蹲踞したりする際に、アクチュエータが装着者の動作を阻害するおそれがある。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、アクチュエータによる装置全体の装着者の左右方向への張り出し量を低減可能であるとともに、アクチュエータにより装着者の歩行動作、荷の昇降動作、着座動作、および蹲踞動作が阻害されないものを提供することを目的とする。

以下において、装着型動作支援装置の装着者から見て前後を「前後」といい、左右（装着者の肩幅方向）を「左右」という。

本発明に係る装着型動作支援装置は、装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、前記装着者の大腿側部に装着される大腿装着部と、前記装着者の下腿側部に装着される下腿装着部と、前記大腿装着部と前記下腿装着部とを連結している膝関節部と、前記大腿装着部に相対して前記下腿装着部を変位すべく前記膝関節部を動作させる膝関節アクチュエータとを備え、前記膝関節アクチュエータは、前記大腿装着部の前後中央よりも前側又は後側であって前記大腿装着部よりも左右方向内側に、前記膝関節アクチュエータの長手方向と前記大腿装着部の長手方向とが略平行となるように配設されているものである。

また、本発明に係る装着型動作支援装置は、装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、前記装着者の大腿側部に装着される大腿装着部と、前記装着者の下腿側部に装着される下腿装着部と、前記大腿装着部と前記下腿装着部とを連結している膝関節部と、前記大腿装着部に相対して前記下腿装着部を変位すべく前記膝関節部を動作させる前記膝関節アクチュエータとを備え、前記膝関節アクチュエータは、前記装着者の大腿の前後中央よりも前側又は後側であって前記装着者の大腿の左右中央よりも外側であり、且つ、前記大腿装着部よりも左右方向内側に配設されているものである。

上記構成の装着型動作支援装置によれば、膝関節アクチュエータは大腿装着部および下腿装着部よりも装着者の左右外側へ突出しないので、装着者の左右方向への装置の張り出し量の低減を図ることができる。さらに、膝関節アクチュエータは、装着者の各種動作（例えば、歩行動作、荷の昇降動作、着座動作、および蹲踞動作等）において、当該膝関節アクチュエータと相対して移動する物体（例えば、荷、椅子、装着者の腕）と当接しない。よって、膝関節アクチュエータにより装着者の各種動作が阻害されない。

前記装着型動作支援装置において、前記装着者の足に装着される足装着部と、前記下腿装着部と前記足装着部とを連結している足関節部と、前記下腿装着部に相対して前記足装着部を変位すべく前記足関節部を動作させる足関節アクチュエータとを備え、前記足関節アクチュエータは、前記下腿装着部の前後中央よりも前側又は後側であって前記下腿装着部よりも左右方向内側に、前記足関節アクチュエータの長手方向と前記下腿装着部の長手方向とが略平行となるように配設されていることがよい。

また、前記装着型動作支援装置において、前記装着者の足に装着される足装着部と、前記下腿装着部と前記足装着部とを連結している足関節部と、前記下腿装着部に相対して前記足装着部を変位すべく前記足関節部を動作させる足関節アクチュエータとを備え、前記足関節アクチュエータは、前記装着者の下腿の前後中央よりも前側又は後側であって前記装着者の下腿の左右中央よりも外側であり、且つ、前記下腿装着部よりも左右方向内側に配設されていることがよい。

上記構成によれば、足関節アクチュエータは大腿装着部および下腿装着部よりも装着者の左右外側へ突出しないので、装着者の左右方向への装置の張り出し量の低減を図ることができる。さらに、足関節アクチュエータは、装着者の各種動作（例えば、歩行動作、荷の昇降動作、着座動作、および蹲踞動作等）において、当該足関節アクチュエータと相対して移動する物体（例えば、荷、椅子、装着者の腕）と当接しない。よって、足関節アクチュエータにより装着者の各種動作が阻害されない。

前記装着型動作支援装置において、前記装着者の腰周りに装着される腰装着部と、前記腰装着部と前記大腿装着部とを連結している股関節部と、前記腰装着部に相対して前記大腿装着部を変位すべく前記股関節部を動作させる股関節アクチュエータとを備え、前記股関節アクチュエータは、前記腰装着部の左右端よりも左右中央側に、その長手方向と前後方向とが略平行となるように配設されていることがよい。

上記構成によれば、股関節アクチュエータは、腰装着部よりも装着者の左右外側へ突出しないので、装着者の左右方向への装置の張り出し量の低減を図ることができる。さらに、股関節アクチュエータは、装着者の各種動作（例えば、歩行動作、荷の昇降動作、着座動作、および蹲踞動作等）において、当該股関節アクチュエータと相対して移動する物体（例えば、荷、椅子、装着者の腕や下肢）と当接しない。よって、股関節アクチュエータにより装着者の各種動作が阻害されない。

前記装着型動作支援装置において、前記膝関節アクチュエータはモータであって、当該モータの出力軸の軸方向と前記大腿装着部の長手方向とが略平行であることがよい。

上記構成によれば、膝関節アクチュエータは装着者の筋肉との当接を避けるように大腿装着部に沿った状態に設けられることとなり、装着者の違和感を軽減することができる。

前記装着型動作支援装置において、前記膝関節アクチュエータは、前記膝関節部よりも上方に配設されており、前記膝関節アクチュエータの動力を前記下腿装着部に伝達するリンク機構を更に備えていることがよい。

上記構成によれば、膝関節アクチュエータをより上方に配置することが可能となり、装着者の膝関節近傍に膝関節アクチュエータが配置される場合と比較して膝関節アクチュエータのイナーシャを軽減することができる。

前記装着型動作支援装置において、前記足関節アクチュエータはモータであって、当該モータの出力軸の軸方向と前記下腿装着部の長手方向とが略平行であることがよい。

上記構成によれば、足関節アクチュエータは装着者の筋肉との当接を避けるように足腿装着部に沿った状態に設けられることとなり、装着者の違和感を軽減することができる。

前記装着型動作支援装置において、前記足関節アクチュエータは、前記足関節部よりも上方に配設されており、前記足関節アクチュエータの動力を前記足装着部に伝達するリンク機構を更に備えていることがよい。

上記構成によれば、足関節アクチュエータをより上方に配置することが可能となり、装着者の足関節近傍に足関節アクチュエータが配置される場合と比較して足関節アクチュエータのイナーシャを軽減することができる。

本発明によれば、関節の駆動するためのアクチュエータによる、装着者の左右方向への装置の張り出し量の低減を図ることができる。また、関節の駆動するためのアクチュエータは、装着者の荷の昇降動作、着座動作、および蹲踞動作において、これらの動作を阻害しない。

本発明の好適な実施の形態に係る装着型動作支援装置の全体的な概略構成を示す図である。 装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。 装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図である。 股関節動力伝達機構の構成を示す平面一部断面である。 股関節部および膝関節部を回動変位させた状態の装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。 図２におけるVI−VI断面図である。 図２におけるVII−VII断面図である。 図５におけるVIII−VIII断面図である。 装着者が着座したときの装着者の大腿と大腿ロッドおよび膝関節アクチュエータの関係を説明する図である。 股関節動力伝達機構、膝関節動力伝達機構および足関節動力伝達機構の第１の変形例を示す装着型動作支援装置の左側下部の側面図である。 股関節動力伝達機構、膝関節動力伝達機構および足関節動力伝達機構の第２の変形例を示す装着型動作支援装置の左側下部の側面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

図１は本発明の好適な実施の形態に係る装着型動作支援装置の全体的な概略構成を示す図である。また、図２は装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図であり、図３は装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図である。図１〜３に示す装着型動作支援装置（以下、単に「動作支援装置１」という）は、下半身外骨格形状を有しており、高齢者、身体障害者および健常者を問わず人間の身体に装着されて、装着者の主に下肢部の筋力を補助又は代行することにより装着者の動作を支援するものである。以下では、動作支援装置１の装着者から見て前後を「前後」といい、左右（装着者の肩幅方向）を「左右」といい、上下を「上下」ということとする。また、装着者の身体を左右対称に切る面とこれに平行な面を「矢状面」といい、装着者の身体を前後に切る面であって矢状面に垂直な面を「前額面」という。

動作支援装置１は、装着者の身体に装着される装着具２と、この装着具２に積載されたバックパック３と、バックパック３に収容されたバッテリ４および制御器５とを備えている。装着具２は、装着者の腰（骨盤）周りに装着される腰フレーム２１と、装着者の背部に装着される背部フレーム２２と、装着者の下肢部に装着される左右の下肢フレーム２３，２３とで概略構成されている。

〔腰フレーム２１〕
腰フレーム２１は、装着者の腰（骨盤）の後側および左右両側を覆うことができるように、平面視で略Ｕ字形をなしている。具体的には、腰フレーム２１は、左右方向に長尺であって装着者の腰の背側に位置する基部４５と、基部４５の左右両端から前方へ突出する側部４６，４６とを備えている。腰フレーム２１は、装着者の腰周りへ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）を備えており、この係止具により腰フレーム２１は装着者の腰に係留される。

〔下肢フレーム２３〕
左右の下肢フレーム２３，２３はほぼ同一の構成であって、腰フレーム２１の左右中央を対称軸として左右線対称に設けられている。よって、以下では一方（左側）の下肢フレーム２３の構造についてのみ詳細に説明し、他方の説明を省略する。下肢フレーム２３は、装着者の大腿側部に装着される大腿装着部である大腿ロッド３１と、装着者の下腿側部に装着される下腿装着部である下腿ロッド３２と、装着者の足（足裏）に装着される足装着部である足乗板３３と、腰フレーム２１と大腿ロッド３１とを連結している股関節部３４と、大腿ロッド３１と下腿ロッド３２とを連結している膝関節部３５と、下腿ロッド３２と足乗板３３とを連結している足関節部３６とを備えている。大腿ロッド３１、下腿ロッド３２および足乗板３３は、装着者の身体へ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）をそれぞれ備えている。

股関節部３４は、腰フレーム２１の側部４６の前端に股関節軸４１を介して矢状面上で回動可能に連結された第１継手４２と、第１継手４２の下端に第２股関節軸４３を介して前額面上で回動可能に連結された第２継手４４と、第２継手４４と大腿ロッド３１との連結部に設けられた第１並進機構４７とを備えている。なお、「矢状面上で回動する」とは、矢状面と垂直な軸を中心として、矢状面との平行を維持した状態で回動することをいう。また、「前額面上で回動する」とは、前額面と垂直な軸を中心として、前額面との平行を維持した状態で回動することをいう。

第１並進機構４７は、第２継手４４から並進方向に延びる接続ピン４７ａと、大腿ロッド３１側に設けられて接続ピン４７ａが挿通される接続孔４７ｂと、接続ピン４７ａに嵌装された圧縮バネ４７ｃとで構成されている（図２、参照）。接続ピン４７ａは接続孔４７ｂよりも長く、接続ピン４７ａの下端は接続孔４７ｂから下方へ突き抜けており、その下端部に鍔部が形成されている。接続孔４７ｂの開口縁と接続ピン４７ａの鍔部は並進方向に離間しており、接続ピン４７ａの接続孔４７ｂの開口縁と接続ピン４７ａの鍔部の間に圧縮バネ４７ｃが設けられている。接続ピン４７ａと大腿ロッド３１とは滑り対偶であって、接続ピン４７ａと接続孔４７ｂとの間に滑りが生じることにより大腿ロッド３１が並進方向へ伸長する。さらに、接続ピン４７ａは接続孔４７ｂ内で半径方向（接続ピン４７ａの軸回り）に回動可能であって、これにより大腿ロッド３１に接続ピン４７ａの軸回りの回旋自由度が与えられている。

上記構成の股関節部３４において、腰フレーム２１に相対して大腿ロッド３１を股関節軸４１回りに回動変位させる股関節駆動部３７が設けられている。股関節駆動部３７は、股関節アクチュエータ６１と、股関節アクチュエータ６１の出力を大腿ロッド３１へ伝達する股関節動力伝達機構６２とで構成されている。股関節アクチュエータ６１は、本実施の形態においては電動モータであって、モータの長手方向とモータの出力軸の軸方向は平行である。股関節アクチュエータ６１は腰フレーム２１に支持されており、腰フレーム２１の左右端よりも左右中央側に、股関節アクチュエータ６１の長手方向と前後方向とが略平行となるように配設されている。なお、図２に示す例では、股関節アクチュエータ６１は、その長手方向が前後方向と略平行且つ前下がりの姿勢で、腰フレーム２１に取り付けられている。このように配置された股関節アクチュエータ６１は、装着具２の装着者の腰の左右方向外側であって骨盤および大臀筋の直ぐ上方の、装着者の体側の凹みに位置することとなる。

図４は股関節動力伝達機構の構成を示す平面一部断面である。図４に詳細に示されるように、股関節動力伝達機構６２は、回転軸直交装置６２ａと、リンク機構６２ｂとから構成されている。本実施の形態に係る回転軸直交装置６２ａは、一対の噛合する傘歯車７１ａ，７１ｂで構成されており、一方の傘歯車７１ａは股関節アクチュエータ６１の出力軸６１ａに嵌装され、他方の傘歯車７１ｂは出力軸６１ａと略直交する駆動軸７２に嵌装されている。駆動軸７２には、出力リンク７３が固定されている。出力リンク７３は、中間リンク７４を介して入力リンク７５と連結されている。入力リンク７５は、股関節軸４１に支承されており、第１継手４２と一体的に回動する。これらの出力リンク７３、中間リンク７４、入力リンク７５、および腰フレーム２１の側部４６により、リンク機構６２ｂ（四節リンク機構）が構成されている。

上記構成の股関節動力伝達機構６２において、股関節アクチュエータ６１の出力軸６１ａが回転すると、その動力が駆動軸７２、出力リンク７３、中間リンク７４、および入力リンク７５の順に伝達される。このようにして、股関節アクチュエータ６１からの動力を受けて入力リンク７５が第１継手４２と一体的に股関節軸４１回りに矢状面上で回動すると、第１継手４２に第２継手４４を介して接続された大腿ロッド３１が股関節軸４１回りに矢状面上で回動する。

図１〜３に戻って、膝関節部３５は、大腿ロッド３１の下端に左右方向に延びる第１膝関節軸４８を介して矢状面上で回動可能に連結されているとともに、下腿ロッド３２の上端に左右方向に延びる第２膝関節軸５０を介して矢状面上で回動可能に連結されている膝プレート４９を備えている。

上記膝関節部３５において、大腿ロッド３１に相対して下腿ロッド３２を第１膝関節軸４８および第２膝関節軸５０回りに回動変位させる膝関節駆動部３８が設けられている。膝関節駆動部３８は、膝関節アクチュエータ６３と、膝関節アクチュエータ６３の出力を下腿ロッド３２へ伝達する膝関節動力伝達機構６４とで構成されている。膝関節アクチュエータ６３は本実施の形態においては電動モータであって、この電動モータはモータの出力軸の軸方向に長尺である。膝関節アクチュエータ６３は、大腿ロッド３１に支持されている。このように膝関節アクチュエータ６３が装着者の膝関節から離れた腰側に配置されることにより、膝関節アクチュエータ６３が装着者の膝関節近傍に配置された構成と比較して、装着者の歩行時に膝関節アクチュエータ６３の重量に起因して装着者にかかるイナーシャ（慣性モーメント）を低減させることができる。

また、膝関節アクチュエータ６３は、大腿ロッド３１の前後中央より後側であって、大腿ロッド３１の左右方向最も外側よりも内側に、膝関節アクチュエータ６３の長手方向と大腿ロッド３１の長手方向とが略平行となるように配設されている。なお、大腿ロッド３１の長手方向は、股関節部３４と膝関節部３５とを繋ぐ方向であって、装着者の大腿骨の延びる方向と略平行である。このように配置された膝関節アクチュエータ６３は、図６に示すように、装着具２の装着者の大腿１０１Ｌ（１０１Ｒ）の前後中央よりも後側であって装着者の大腿１０１Ｌ（１０１Ｒ）の左右中央よりも外側の、大腿二頭筋１０３と大腿四頭筋１０２の間に位置することとなる。装着者の大腿の横断面の外形は楕円形であり、この楕円の後方且つ左右外側部は、身体の各種動作（例えば、歩行動作、荷の昇降動作、着座動作、および蹲踞動作）の非干渉域である。換言すれば、膝関節アクチュエータ６３は、装着者の各種動作において当該膝関節アクチュエータ６３と相対して移動する物体（例えば、荷、椅子、装着者の腕）と当接しない。なお、膝関節アクチュエータ６３は、装着者の大腿と接触し、また、動作によっては装着者の下腿とも接触することがあるが、膝関節アクチュエータ６３が装着者の下腿および大腿の筋を避けて配置されていることから装着者の違和感は軽減される。

膝関節動力伝達機構６４は、回転軸直交装置６４ａと、リンク機構６４ｂとから構成されている。回転軸直交装置６４ａは、股関節動力伝達機構６２の回転軸直交装置６２ａと同様の構成を有している。すなわち、本実施の形態に係る回転軸直交装置６４ａは、一対の噛合する傘歯車７６ａ，７６ｂで構成されており、一方の傘歯車７６ａは膝関節アクチュエータ６３の出力軸６３ａに嵌装され、他方の傘歯車７６ｂは出力軸６３ａと略直交する駆動軸７７に嵌装されている。駆動軸７７には、出力リンク７８が固定されている。出力リンク７８は中間リンク７９の一端と回動可能に連結されており、中間リンク７９の他端は下腿ロッド３２に支承されている。これらの出力リンク７８、中間リンク７９、下腿ロッド３２（出力リンク）、膝プレート４９、および大腿ロッド３１により、リンク機構６４ｂ（五節リンク機構）が構成されている。

上記構成の膝関節動力伝達機構６４において、膝関節アクチュエータ６３の出力軸６３ａが回転すると、その動力が駆動軸７７、出力リンク７８、中間リンク７９、および下腿ロッド３２の順に伝達される。このようにして、図５に示すように、膝関節アクチュエータ６３からの動力を受けて下腿ロッド３２が大腿ロッド３１に相対して第１膝関節軸４８および第２膝関節軸５０回りに矢状面上で回動する。なお、大腿ロッド３１に対する膝プレート４９の第１膝関節軸４８回りの回動角度と、下腿ロッド３２に対する膝プレート４９の第２膝関節軸５０回りの回動角度とは、所定の比率（例えば、１）となるように拘束されている。これにより、下腿ロッド３２の第２膝関節軸５０回りの回動変位に伴って膝プレート４９も第１膝関節軸４８回りに回動変位するので、膝関節部３５は装着者の膝関節の動きに似たより滑らかな動作をすることができる。

足関節部３６は、足乗板３３に左右方向に延びる足関節軸５１を介して矢状面上で回動可能且つ前額面上で揺動可能に連結された第３継手５２と、第３継手５２と下腿ロッド３２との連結部に設けられた第２並進機構５３とを備えている。なお、足乗板３３は、少なくとも装着者の踵を覆う形状の基板と、基板から上方へ突設されて足関節軸５１を支持する軸支持部とを有している。

第２並進機構５３は、第３継手５２に設けられた並進方向に延びる角柱部５３ａと、角柱部５３ａが摺動可能に挿入される下腿ロッド３２に設けられた角筒部５３ｂと、角柱部５３ａを角筒部５３ｂ内へ収容する方向へ付勢する付勢部材としての引張バネ５３ｃとで構成されている（図３、参照）。角柱部５３ａと角筒部５３ｂとは滑り対偶であって、角柱部５３ａが角筒部５３ｂ内を並進方向に滑ることにより、下腿ロッド３２は並進方向に伸長することができる。

上記構成の足関節部３６において、下腿ロッド３２に相対して足乗板３３を足関節軸５１回りに回動変位させる足関節駆動部３９が設けられている。足関節駆動部３９は、足関節アクチュエータ８１と、足関節アクチュエータ８１の出力を足乗板３３へ伝達する足関節動力伝達機構８２とで構成されている。足関節アクチュエータ８１は、本実施の形態においては電動モータであって、この電動モータはモータの出力軸の軸方向に長尺である。足関節アクチュエータ８１は、下腿ロッド３２に支持されている。このように足関節アクチュエータ８１が装着者の足関節から離れた膝側に配置されることにより、足関節アクチュエータ８１が装着者の足関節近傍に配置された構成と比較して、装着者の歩行時に足関節アクチュエータ８１の重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを低減させることができる。

また、足関節アクチュエータ８１は、下腿ロッド３２の前後中央より後側であって、下腿ロッド３２の左右方向最も外側よりも内側に、足関節アクチュエータ８１の長手方向と下腿ロッド３２の長手方向とが略平行となるように配設されている。なお、下腿ロッド３２の長手方向は、膝関節部３５と足関節部３６とを繋ぐ方向であって、装着者の下腿骨（頸骨）の延びる方向と略平行である。このように配置された足関節アクチュエータ８１は、図７に示すように、装着具２の装着者の下腿１０２Ｌ（１０２Ｒ）の前後中央よりも後側であって装着者の下腿１０２Ｌ（１０２Ｒ）の左右中央よりも外側の、前頸骨筋（又は長指伸筋）１０４と下腿三頭筋１０５との間に位置することとなる。装着者の下腿の脹ら脛よりも下部の横断面の外形は楕円形であり、この楕円の後方且つ左右方向外側部は、身体の各種動作（例えば、歩行動作、荷の昇降動作、着座動作、および蹲踞動作）の非干渉域である。換言すれば、足関節アクチュエータ８１は、装着者の各種動作において当該足関節アクチュエータ８１と相対して移動する物体（例えば、荷、椅子、装着者の腕）と当接しない。なお、足関節アクチュエータ８１は、装着者の下腿と接触し、また、動作によっては装着者の大腿とも接触することがあるが、足関節アクチュエータ８１が装着者の下腿および大腿の筋を避けて配置されていることから装着者の違和感は軽減される。

足関節動力伝達機構８２は、回転軸直交装置８２ａと、リンク機構８２ｂとから構成されている。回転軸直交装置８２ａは、股関節動力伝達機構６２の回転軸直交装置６２ａと同様の構成を有している。すなわち、本実施の形態に係る回転軸直交装置８２ａは、一対の噛合する傘歯車８３ａ，８３ｂで構成されており、一方の傘歯車８３ａは足関節アクチュエータ８１の出力軸８１ａに嵌装され、他方の傘歯車８３ｂは出力軸８１ａと略直交する駆動軸８４に嵌装されている。駆動軸８４には、出力リンク８５が固定されている。出力リンク８５と足乗板３３は、入力リンク８６によって連結されている。

上記構成の足関節動力伝達機構８２において、足関節アクチュエータ８１の出力軸８１ａが回転すると、その動力が駆動軸８４、出力リンク８５、入力リンク８６、および足乗板３３の順に伝達される。このようにして、足関節アクチュエータ８１からの動力を受けて、足乗板３３は下腿ロッド３２に相対して足関節軸５１回りに矢状面上で回動することができる。

〔背部フレーム２２〕
背部フレーム２２は、いわゆる背負子である。背部フレーム２２は、装着者の肩や胸に係留させるための脇ベルト、肩紐およびフックなどの係止具（図示略）を備えている。背部フレーム２２には、バックパック３が積載される。バックパック３は背部フレーム２２に着脱可能に積載されているが、バックパック３は背部フレーム２２と一体的に構成されていてもよい。バックパック３に格納されたバッテリ４は、股関節アクチュエータ６１、膝関節アクチュエータ６３、足関節アクチュエータ８１、および制御器５へ電気を供給する。また、バックパック３に格納された制御器５は、装着具２の各部に設けたセンサ（図示略）からの検出信号を受けて、装着具２が装着者の動作を補助又は代行するように股関節アクチュエータ６１、膝関節アクチュエータ６３および足関節アクチュエータ８１を制御する。なお、上記センサは、部材の重心の変化量や部材に加わる負荷量などの物理量を検出するセンサであるが、これらに代えて又はこれらに加えて装着者の生体信号を検出する生体信号センサを用いても良い。生体信号センサを用いれば、装着者の意思に従った動力をアクチュエータ６１，６３，８１に発生させることができる。

以上説明した構成を有する動作支援装置１では、関節の駆動するためのアクチュエータ６１，６３，８１は、いずれも腰フレーム２１および背部フレーム２２により形成される装置の外骨格よりも装着者の左右方向内側に配置されている。よって、関節の駆動するためのアクチュエータ６１，６３，８１による、装置全体の装着者の左右方向への張り出し量の低減を図ることができる。

また、動作支援装置１では、関節の駆動するためのアクチュエータ６１，６３，８１は、これらによって装着者の歩行動作、荷の昇降動作、着座動作、および蹲踞動作が阻害されないように配設されている。例えば、図５に示すように、装着者の股関節及び膝関節を曲げる蹲踞動作時に、図８に示すように、膝関節アクチュエータ６３および足関節アクチュエータ８１は、装着者の大腿１０１Ｌ（１０１Ｒ）と下腿１０２Ｌ（１０２Ｒ）の間に位置するが、これらの動きを妨げることはない。ここで、膝関節アクチュエータ６３と足関節アクチュエータ８１は、それぞれ装着者の大腿１０１Ｌ（１０１Ｒ）と下腿１０２Ｌ（１０２Ｒ）に接触しているが、何れも装着者の筋（筋肉）と筋の間のような身体の凹み部分であって筋を避けたところと接触しているので、装着者の違和感を軽減することができる。加えて、アクチュエータ６１，６３，８１が面取りされた形状であれば、これらと装着者との接触による違和感が更に軽減される。また、例えば、図９に示すように、装着者の着座動作時に、椅子の座面１０６と装着者の下腿１０２Ｌ，１０２Ｒとが当接した状態で膝関節アクチュエータ６３は座面１０６と非接触である。ここで、膝関節アクチュエータ６３と装着者の大腿１０１Ｌ（１０１Ｒ）が接触しているが、装着者の大腿四頭筋１０２と大腿二頭筋１０３の間の身体の凹み部分であって筋を避けたところと接触しており、装着者の膝関節アクチュエータ６３との接触部位に存在する皮下脂肪は変形するので、装着者の違和感を軽減することができる。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。

例えば、本実施の形態に係る動作支援装置１において、膝関節アクチュエータ６３は大腿ロッド３１の前後方向中央より後側に配置されているが、大腿ロッド３１の前後方向中央より前側に配置されていてもよい。この場合であっても、膝関節アクチュエータ６３は、大腿ロッド３１よりも左右方向内側において、膝関節アクチュエータ６３の長手方向と大腿ロッド３１の長手方向とが略平行となるように配置されるので、膝関節アクチュエータ６３は装着具２の下肢フレーム２３から大きく左右方向外側へ張り出すことがなく、また、装着者の各種動作において干渉することがない。

また、例えば、本実施の形態に係る動作支援装置１において、足関節アクチュエータ８１は下腿ロッド３２の前後方向中央より後側に配置されているが、下腿ロッド３２の前後方向中央より前側に配置されていてもよい。この場合であっても、足関節アクチュエータ８１は、下腿ロッド３２よりも左右方向内側において、足関節アクチュエータ８１の長手方向と下腿ロッド３２の長手方向とが略平行となるように配置されるので、足関節アクチュエータ８１は装着具２の下肢フレーム２３から大きく左右方向外側へ張り出すことがなく、また、装着者の各種動作において干渉することがない。

また、例えば、本実施の形態に係る動作支援装置１において、股関節駆動部３７、膝関節駆動部３８、および足関節駆動部３９は各々リンク機構６２ｂ，６４ｂ，８２ｂを具備しているが、これらの各関節駆動部が具備する動力伝達機構はリンク機構に限定されない。例えば、リンク機構に代えてベルト伝動機構を採用することもできる。図１０は股関節動力伝達機構、膝関節動力伝達機構および足関節動力伝達機構の第１の変形例を示す装着型動作支援装置の左側下部の側面図である。同図に示すように、股関節駆動部３７において、駆動軸７２から入力リンク７５（入力カム）までの間に、ベルト伝動機構６２ｃが設けられている。ベルト伝動機構６２ｃは、駆動軸７２に設けられた駆動プーリ９１ａと、入力リンク７５に設けられた従動プーリ９１ｃと、これらに巻回された伝動ベルト９１ｂとから構成されている。同様に、膝関節駆動部３８にベルト伝動機構６４ｃが設けられており、ベルト伝動機構６４ｃは、駆動軸７７に設けられた駆動プーリ９２ａと、膝プレート４９に設けられて膝プレート４９とともに回転する従動プーリ９２ｃと、これらに巻回された伝動ベルト９２ｂとから構成されている。膝プレート４９に対する大腿ロッド３１の第１膝関節軸４８回りの回動と、膝プレート４９に対する下腿ロッド３２の第２膝関節軸５０回りの回動とが相関するように拘束されており、駆動軸７７からベルト伝動機構６４ｃを介して膝プレート４９へ伝達された動力により膝プレート４９が回動すると、下腿ロッド３２が大腿ロッド３１に相対して回動変位する。また、同様に、足関節駆動部３９にベルト伝動機構８２ｃが設けられており、ベルト伝動機構８２ｃは、駆動軸８４に設けられた駆動プーリ９３ａと、足乗板３３に設けられて足乗板３３とともに回転する従動プーリ９３ｃと、これらに巻回された伝動ベルト９３ｂとから構成されている。

また、例えば、本実施の形態に係る動作支援装置１において、股関節アクチュエータ６１、膝関節アクチュエータ６３、および足関節アクチュエータ８１は各々電動モータであるが、これらの各関節アクチュエータは電動モータに限定されない。例えば、電動モータに代えてエアシリンダやオイルシリンダを採用することもできる。図１１は股関節動力伝達機構、膝関節動力伝達機構および足関節動力伝達機構の第２の変形例を示す装着型動作支援装置の左側下部の側面図である。同図に示すように、股関節アクチュエータ６１には、ピストン６１ｂを有するエアーシリンダが採用されている。ピストン６１ｂの先端は、ピストンリンク７１に連結されている。ピストンリンク７１は、腰フレーム２１の左右方向内側に位置しており、腰フレーム２１を貫通するリンク軸７１ｃを介して出力リンク７３に固定されている。つまり、ピストンリンク７１と出力リンク７３は、リンク軸７１ｃを中心として相対的に回動するように構成されている。これにより、股関節アクチュエータ６１のピストン６１ｂが前進及び後退することに伴って、出力リンク７３は回動する。同様に、膝関節アクチュエータ６３には、ピストン６３ｂを有するエアーシリンダが採用されている。ピストン６１ｂの先端は、ピストンリンク７６に連結されている。ピストンリンク７６は、大腿ロッド３１の左右方向内側に位置しており、大腿ロッド３１を貫通するリンク軸７６ｃを介して出力リンク７８に固定されている。これにより、膝関節アクチュエータ６３のピストン６３ｂが前進及び後退することに伴って、出力リンク７８は回動する。また、同様に、足関節アクチュエータ８１には、ピストン８１ｂを有するエアーシリンダが採用されている。ピストン８１ｂの先端は、ピストンリンク８３に連結されている。ピストンリンク８３は、下腿ロッド３２の左右方向内側に位置しており、下腿ロッド３２を貫通するリンク軸８３ｃを介して出力リンク８５に固定されている。これにより、足関節アクチュエータ８１のピストン８１ｂが前進及び後退することに伴って、出力リンク８５は回動する。

また、例えば、本実施の形態に係る動作支援装置１は、装着者の下肢全体の動作を支援するものであるが、動作支援装置は装着者の膝の屈伸のみを支援するものであってもよい。この場合、装着具２は、大腿ロッド３１と、下腿ロッド３２と、膝関節部３５と、膝関節駆動部３８とで構成される。また、動作支援装置は装着者の股関節の動作を支援するものであってもよい。この場合、装着具２は、腰フレーム２１と、大腿ロッド３１と、股関節部３４と、股関節駆動部とで構成される。さらに、本実施の形態に係る動作支援装置１は、足関節部３６を動作させる足関節駆動部３９を備えているが、足関節駆動部３９を省いて足関節部３６を自由に動作させる構成としてもよい。

本発明に係る装着型動作支援装置は、装着者の左右方向への装置の張り出し量を低減し、装置を装着した装着者の動作範囲を確保するために有用であり、上記実施の形態に限らず装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置において広く適用することができる。

１ 装着型動作支援装置
２ 装着具
３ バックパック
４ バッテリ
５ 制御器
２１ 腰フレーム
２２ 背部フレーム
２３ 下肢フレーム
３１ 大腿ロッド（大腿装着部）
３２ 下腿ロッド（下腿装着部）
３３ 足乗板（足装着部）
３４ 股関節部
３５ 膝関節部
３６ 足関節部
３７ 股関節駆動部
３８ 膝関節駆動部
３９ 足関節駆動部
６１ 股関節アクチュエータ
６２ 股関節動力伝達機構
６３ 膝関節アクチュエータ
６４ 膝関節動力伝達機構
８１ 足関節アクチュエータ
８２ 足関節動力伝達機構

Claims (7)

1. 装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、
   前記装着者の大腿の左右方向外側の側部に装着される大腿装着部と、
   前記装着者の下腿の左右方向外側の側部に装着される下腿装着部と、
   前記大腿装着部と前記下腿装着部とを連結している膝関節部と、
   前記大腿装着部に相対して前記下腿装着部を変位すべく前記膝関節部を動作させる膝関節アクチュエータとを備え、
   前記膝関節アクチュエータは、前記装着者の大腿の前後中央よりも後側となる前記大腿装着部の前後中央よりも後側であって、前記装着者の大腿の左右中央よりも左右方向外側となる前記大腿装着部の左右方向外側端よりも左右方向内側に全体が位置し、前記装着者の大腿のうち筋を避けたところとの接触が許容され、且つ、前記膝関節アクチュエータの長手方向と前記大腿装着部の長手方向とが略平行となるように配設されている、
   装着型動作支援装置。
2. 前記装着者の足に装着される足装着部と、
   前記下腿装着部と前記足装着部とを連結している足関節部と、
   前記下腿装着部に相対して前記足装着部を変位すべく前記足関節部を動作させる足関節アクチュエータとを備え、
   前記足関節アクチュエータは、前記装着者の下腿の前後中央よりも後側となる前記下腿装着部の前後中央よりも後側であって、前記装着者の下腿の左右中央よりも左右方向外側となる前記下腿装着部よりも左右方向内側に全体が位置し、前記装着者の下腿のうち筋を避けたところとの接触が許容され、且つ、前記足関節アクチュエータの長手方向と前記下腿装着部の長手方向とが略平行となるように配設されている、
   請求項１に記載の装着型動作支援装置。
3. 前記装着者の腰周りに装着される腰装着部と、
   前記腰装着部と前記大腿装着部とを連結している股関節部と、
   前記腰装着部に相対して前記大腿装着部を変位すべく前記股関節部を動作させる股関節アクチュエータとを備え、
   前記股関節アクチュエータは、前記腰装着部の左右端よりも左右中央側に、その長手方向と前後方向とが略平行となるように配設されている、
   請求項１又は２に記載の装着型動作支援装置。
4. 前記膝関節アクチュエータはモータであって、当該モータの出力軸の軸方向と前記大腿装着部の長手方向とが略平行である、請求項１〜３の何れか一項に記載の装着型動作支援装置。
5. 前記膝関節アクチュエータは、前記膝関節部よりも上方に配設されており、
   前記膝関節アクチュエータの動力を前記下腿装着部に伝達するリンク機構を更に備えている、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の装着型動作支援装置。
6. 前記足関節アクチュエータはモータであって、当該モータの出力軸の軸方向と前記下腿装着部の長手方向とが略平行である、請求項２に記載の装着型動作支援装置。
7. 前記足関節アクチュエータは、前記足関節部よりも上方に配設されており、
   前記足関節アクチュエータの動力を前記足装着部に伝達するリンク機構を更に備えている、請求項２又は６に記載の装着型動作支援装置。

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