JP6074791B2 - Elastic clothing - Google Patents
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Description
本発明は、スパッツなどの伸縮性衣類で剛性が可変となる可変剛性部を備える伸縮性衣類に関する。 The present invention relates to a stretchable garment including a variable rigidity portion whose rigidity is variable in a stretchable garment such as spats.
近年、高齢者・歩行困難者の自立歩行支援を目的としたロボット技術を用いた歩行アシスト装置が注目されている（非特許文献１、２）。しかしながら、従来の歩行アシスト装置では、電気モータ・空気圧アクチュエータとリンク機構を組み合わせることで、歩行アシストを実現しているため、筋力の弱った高齢者にとって装置が大型であることや、アクチュエータやリンク機構が重く硬いため、装着時の重量やフィット性が問題になると考えられる。なお、本発明者は、人との同調性を高めることによって、より好適な歩行アシストを可能にするロボティックスーツを提案した（特許文献１）。 2. Description of the Related Art In recent years, a walking assist device using robot technology for the purpose of assisting elderly people and those who have difficulty walking is attracting attention (Non-Patent Documents 1 and 2). However, in the conventional walking assist device, walking assist is realized by combining an electric motor / pneumatic actuator and a link mechanism, so that the device is large for elderly people with weak muscle strength, and the actuator and link mechanism. Since it is heavy and hard, it is thought that the weight and fit at the time of wearing will be a problem. In addition, this inventor proposed the robotic suit which enables more suitable walk assistance by improving the synchrony with a person (patent document 1).
一方、高弾性生地を用い、弾性力によって股関節屈曲を補助する機能性スパッツが開発されている（非特許文献３）。しかし、この機能性スパッツは、股関節屈曲運動を補助することができるが、股関節伸展時の運動を補助することができず、また、高弾性生地に弾性力を持たせるために、自然長から伸ばす必要があり、筋力の衰えた高齢者にとっては負担になると考えられる。 On the other hand, functional spats that use a highly elastic fabric and assist hip flexion by elastic force have been developed (Non-patent Document 3). However, this functional spats can assist the hip flexion movement, but cannot assist the movement during the hip extension, and also stretch from the natural length in order to give the high elastic fabric elasticity. It is necessary and it will be a burden for elderly people with weak muscle strength.
本発明者は、可塑化ポリ塩化ビニル(PVC)ゲルを用いて収縮運動を行うPVCゲルアクチュエータを開発し、その駆動特性について研究してきた（非特許文献４、５）。この高分子アクチュエータは大気中で電場駆動が可能で、収縮率が10%、400Pa/layer、応答性7Hzという駆動特性を有するだけでなく、印加する電場により、剛性が生体筋のように増加する特性を有している。したがって、このPVCゲルアクチュエータの電場による剛性変化をスパッツなどの伸縮性を備える衣類に利用することにより、身体運動をアシストすることができると考えられる。 The present inventor has developed a PVC gel actuator that performs contraction motion using a plasticized polyvinyl chloride (PVC) gel, and has studied its driving characteristics (Non-Patent Documents 4 and 5). This polymer actuator can be driven by an electric field in the atmosphere, and has not only the drive characteristics of 10% shrinkage, 400Pa / layer, and 7Hz response, but also the rigidity increases like a living muscle by the applied electric field. It has characteristics. Therefore, it is considered that physical exercise can be assisted by utilizing the change in rigidity of the PVC gel actuator due to the electric field for clothes having elasticity such as spats.
本発明は、印加する電場によって剛性が生体筋のように変化する高分子アクチュエータの特性に着目し、スパッツなどの伸縮性衣類で、腰や脚にぴったりと添うようにして着用される衣類にゲルアクチュエータを組み込み、電場を印加することにより生じる剛性変化を利用して、身体運動を拘束したり、開放したりすることで、身体動作をアシストすることを可能にする伸縮性衣類を提供することを目的とする。 The present invention focuses on the characteristics of a polymer actuator whose rigidity changes like a living muscle by an applied electric field, and is a stretchable garment such as spats. To provide a stretchable garment capable of assisting a body movement by restraining or releasing a body movement by using a rigidity change caused by applying an electric field by incorporating an actuator. Objective.
本発明は、伸縮性を有する衣類の一部あるいは全部に可変剛性部が設けられた伸縮性衣類であって、前記可変剛性部は、メッシュ体と、該メッシュ体を挟む配置に設けた誘電性高分子からなるゲルシートと、ゲルシートの外面を被覆する電極層とを備え、前記メッシュ体とゲルシートと電極層とが厚さ方向に複数層に順次積層された積層型のゲルアクチュエータとして形成され、前記可変剛性部は、前記ゲルアクチュエータのメッシュ体と電極層との間に電圧を加えた際の剛性が、前記伸縮性衣類自体の剛性を上回るとともに、前記メッシュ体と電極層との間に電圧を加えていない際における剛性が、前記伸縮性衣類自体の剛性と同程度であることを特徴とする。 The present invention relates to a stretchable garment in which a part or all of a stretchable garment is provided with a variable rigidity portion, and the variable rigidity portion is provided with a mesh body and a dielectric provided in an arrangement sandwiching the mesh body. A gel sheet made of a polymer and an electrode layer covering the outer surface of the gel sheet , the mesh body, the gel sheet and the electrode layer are formed as a stacked gel actuator in which a plurality of layers are sequentially stacked in the thickness direction, The variable rigidity portion has a rigidity when a voltage is applied between the mesh body of the gel actuator and the electrode layer, exceeding a rigidity of the stretchable garment itself, and a voltage is applied between the mesh body and the electrode layer. The rigidity when not added is approximately the same as the rigidity of the stretchable garment itself .
伸縮性を有する衣類とは、伸縮性を有する素材、あるいは伸縮性を有する編み方、織り方によって形成した衣類であり、人体に着用して用いるものを意味する。スパッツのように、腰と脚部分に着用されるものの他に、サポーターのように人体の一部に着用（装着）されるものも含む。可変剛性部は伸縮性衣類に一体に組み込んで設ける方法、伸縮性衣類の表面に添ってゲルアクチュエータを取り付ける方法等によって設けることができる。
可変剛性部は、伸縮性衣類の一部に設けてもよいし、伸縮性衣類の全体に設けてもよい。伸縮性衣類の全体に可変剛性部を設ける場合は、可変剛性部（ゲルアクチュエータ）を複数の区画に分割して、個々の区画ごとにゲルアクチュエータに作用させる電圧を制御できるようにするとよい。各区画の可変剛性部の剛性を適宜制御することにより、伸縮性衣類による種々の作用を行わせることができる。
The stretchable garment is a stretchable material, or a garment formed by stretchable knitting or weaving, and means worn on the human body. In addition to those worn on the waist and legs such as spats, those worn on (attached to) a part of the human body such as supporters are included. The variable rigid portion can be provided by a method in which the variable rigid portion is integrally incorporated in the elastic clothing, a method in which a gel actuator is attached along the surface of the elastic clothing, or the like.
The variable rigid portion may be provided in a part of the stretchable garment or in the entire stretchable garment. When the variable rigid portion is provided in the entire stretchable garment, the variable rigid portion (gel actuator) may be divided into a plurality of sections so that the voltage applied to the gel actuator can be controlled for each section. By appropriately controlling the rigidity of the variable rigid portion of each section, various actions by the stretchable garment can be performed.
前記可変剛性部は、メッシュ体とゲルシートと電極層とを厚さ方向に複数層に順次積層した積層型のゲルアクチュエータによって形成することができる。ゲルアクチュエータの剛性変化はゲルアクチュエータの積層数にも依存するから、可変剛性部に使用するゲルアクチュエータの積層数を調節することにより、用途に合わせた伸縮性衣類を提供することができる。 The variable rigidity portion can be formed by a stacked gel actuator in which a mesh body, a gel sheet, and an electrode layer are sequentially stacked in a plurality of layers in the thickness direction. Since the change in the rigidity of the gel actuator also depends on the number of layers of the gel actuator, by adjusting the number of layers of the gel actuator used in the variable rigidity portion, it is possible to provide a stretchable garment that suits the application.
また、前記可変剛性部は、前記ゲルアクチュエータのメッシュ体と電極層との間に電圧を加えた際の剛性が、前記伸縮性衣類自体の剛性を上回るように設定することで、可変剛性部を備える伸縮性衣類としての作用を発揮させることができる。
また、前記可変剛性部は、前記ゲルアクチュエータのメッシュ体と電極層との間に電圧を加えていない際における剛性が、前記伸縮性衣類自体の剛性と同程度であるようにすることにより、可変剛性部を設けたことによる動作の抵抗感、違和感なく着用することができる。
Further, the variable rigidity portion is set so that the rigidity when a voltage is applied between the mesh body of the gel actuator and the electrode layer exceeds the rigidity of the stretchable garment itself. The action as a stretchable garment can be exhibited.
Further, the variable rigidity portion is variable by making the rigidity when no voltage is applied between the mesh body of the gel actuator and the electrode layer to be comparable to the rigidity of the stretchable garment itself. It can be worn without any sense of resistance or discomfort due to the provision of the rigid portion.
前記可変剛性部を構成するゲルアクチュエータに用いるゲルシートには、適宜誘電性高分子材料を使用することが可能である。ポリ塩化ビニルはゲルシートを構成する誘電性高分子材料として好適に利用することができる。 A dielectric polymer material can be used as appropriate for the gel sheet used for the gel actuator constituting the variable rigidity portion. Polyvinyl chloride can be suitably used as a dielectric polymer material constituting the gel sheet.
本発明に係る伸縮性衣類は、ゲルアクチュータに電圧を印加することによりゲルアクチュエータの剛性が容易に制御できるという作用を利用して、必要部位に着用するだけで、歩行や腕を動かすといった動作をアシストすることができ、また逆に、動作に負荷を加えることによりリハビリやトレーニングにも利用することができ、従来のアシスト装置にくらべて装着しやすく、使いやすい装置（衣類）として提供することができる。 The elastic garment according to the present invention uses the action that the rigidity of the gel actuator can be easily controlled by applying a voltage to the gel actuator, so that the operation such as walking or moving the arm just by wearing it on the necessary part. In addition, it can be used for rehabilitation and training by applying a load to the operation, and it is easy to wear and use as a device (clothing) that is easier to use than conventional assist devices. Can do.
（PVCゲルの構成）
伸縮性衣類は、可塑化ポリ塩化ビニル（PVC）ゲルを衣類に組み込んで剛性を可変とした。使用するPVCゲルは、ポリ塩化ビニル(PVC)と可塑剤のアジピン酸ジブチル(DBA)を溶媒のテトラヒドロフラン(THF)中で混合した後に、その混合液をシャーレにキャストし、乾燥させて得ることができる。このゲルはPVCとDBAの重合比を変えることにより剛性を調節することができる。
(Composition of PVC gel)
The stretchable garment was made variable by incorporating plasticized polyvinyl chloride (PVC) gel into the garment. The PVC gel used can be obtained by mixing polyvinyl chloride (PVC) and the plasticizer dibutyl adipate (DBA) in the solvent tetrahydrofuran (THF), then casting the mixture into a petri dish and drying. it can. The stiffness of this gel can be adjusted by changing the polymerization ratio of PVC and DBA.
なお、剛性を可変とするゲルアクチュエータに使用するゲルの種類は、PVCゲルに限らない。例として、ポリ塩化ビニル（PVC）の他に、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン６、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル等の誘電性高分子材料を用いることができる。これらの誘電性高分子材料は、いずれもゲルシートを形成して電気刺激した際に、屈曲変形やクリープ変形をなすという特性を有する。 In addition, the kind of gel used for the gel actuator which makes rigidity variable is not restricted to PVC gel. For example, in addition to polyvinyl chloride (PVC), dielectric polymer materials such as polymethyl methacrylate, polyurethane, polystyrene, polyvinyl acetate, nylon 6, polyvinyl alcohol, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, etc. may be used. it can. All of these dielectric polymer materials have a characteristic that they undergo bending deformation or creep deformation when a gel sheet is formed and electrically stimulated.
（PVCゲルアクチュエータの構造）
PVCゲルに電場を加えると、電荷が陰極からゲル内部に注入され、陽極に移動し、放電する前に電荷の蓄積はゲルの陽極付近での静電気的付着を促進する。その結果として、ゲルは陽極付近で変形する。PVCゲルは電場の印加によって陽極に這い出すように変形することから、メッシュ状の陽極と箔状の陰極とでゲルを挟むことで、電場印加時にゲルが網目の空間内に引き込まれ、全体として厚さ方向に収縮し、電場を除去するとゲル自体の弾性によって元の形状に戻るようなメカニズムをもつアクチュエータを構成することができる。図１にゲルアクチュエータの駆動原理を示す。メッシュ体であるアノード（陽極）１０を厚さ方向に挟む配置にPVCゲル１２a、１２ｂを設け、PVCゲルの外面にカソード（陰極）１４としてステンレス箔を設けている。
(PVC gel actuator structure)
When an electric field is applied to the PVC gel, charge is injected from the cathode into the gel, migrates to the anode, and charge build-up promotes electrostatic adhesion near the anode of the gel before discharging. As a result, the gel deforms near the anode. Since the PVC gel deforms so as to creep into the anode when an electric field is applied, the gel is drawn into the mesh space when an electric field is applied by sandwiching the gel between the mesh-like anode and the foil-like cathode. An actuator having a mechanism that contracts in the vertical direction and returns to the original shape by the elasticity of the gel itself when the electric field is removed can be configured. FIG. 1 shows the driving principle of the gel actuator. PVC gels 12a and 12b are provided so as to sandwich the anode (anode) 10 which is a mesh body in the thickness direction, and a stainless steel foil is provided as a cathode (cathode) 14 on the outer surface of the PVC gel.
図２は、PVCゲルアクチュエータの基本構造を積層させた構造とし、アクチュエータ全体として変位量を増大させた積層型のゲルアクチュエータを構成した例を示す。カソードであるステンレス箔を両面からPVCゲルシートで挟み、アノードのメッシュ体をPVCゲルシートの中間に配して順次積層したものである。このようにゲルアクチュエータを積層する構造とすることにより、アクチュエータ全体としては、個々のゲルシートの変位量が加算されたものとなる。 FIG. 2 shows an example in which a laminated gel actuator in which the basic structure of the PVC gel actuator is laminated and the displacement amount is increased as the entire actuator is configured. A stainless steel foil as a cathode is sandwiched between PVC gel sheets from both sides, and an anode mesh body is placed in the middle of the PVC gel sheet and sequentially laminated. By adopting a structure in which gel actuators are laminated in this manner, the displacement amount of each gel sheet is added to the entire actuator.
（PVCゲルアクチュエータの剛性変化）
PVCゲルアクチュエータをアクチュエータとして使用する方法によって運動補助する場合、すなわち収縮変位を直接的に利用して運動補助する場合には、大きな収縮量が必要となる。PVCゲルアクチュエータは積層構造としたとしても大きな変位量を得ることは難しい。一方、剛性変化を運動補助に利用する場合は、PVCゲルアクチュエータの変位量はアクチュエータの剛性により自動的に決定されるため、大きな変位が可能であり、剛性変化を利用して運動補助する方法が有効に利用できる可能性がある。
(Change in rigidity of PVC gel actuator)
When the movement is assisted by the method using the PVC gel actuator as an actuator, that is, when the movement is assisted by directly using the contraction displacement, a large amount of contraction is required. Even if the PVC gel actuator has a laminated structure, it is difficult to obtain a large displacement. On the other hand, when the change in rigidity is used for assisting movement, the displacement amount of the PVC gel actuator is automatically determined by the rigidity of the actuator, so a large displacement is possible. There is a possibility that it can be used effectively.
PVCゲルアクチュエータの剛性変化のメカニズムは、PVCゲルは電場の印加によって陽極に這い出すように変形することから、メッシュ状の陽極と箔状の陰極とでゲルを挟むことで、電場印加時にゲルが網目の空間内に引き込まれ、ゲルと陽極表面の接触面積の増加、吸着力によってゲルの剛性が増大するものと考えられる。よって、ゲルの膜厚、可塑剤の量、メッシュの空隙量、積層数によってアクチュエータの剛性変化の違いが出てくると考えられる。 The mechanism of the rigidity change of the PVC gel actuator is that the PVC gel is deformed so as to creep out to the anode when an electric field is applied. Therefore, the gel is meshed when the electric field is applied by sandwiching the gel between the mesh-like anode and the foil-like cathode. It is considered that the rigidity of the gel increases due to the increase in the contact area between the gel and the anode surface and the adsorption force. Therefore, it is considered that the difference in actuator stiffness changes depending on the film thickness of the gel, the amount of plasticizer, the amount of voids in the mesh, and the number of layers.
PVCゲルアクチュエータの剛性変化の測定を行った。測定方法を図３に示す。アクチュエータ２０とZ軸ステージ１６を固定し、アクチュエータ２０をロードセル１８に接続する。アクチュエータ２０に電圧を印加し、Z軸ステージ１６に取り付けられたマイクロメータを見ながら、アクチュエータ２０に微小な強制変位を与え、その時の反力をロードセル１８を用いて計測し、アクチュエータ２０の剛性を求めた。 The rigidity change of the PVC gel actuator was measured. The measurement method is shown in FIG. The actuator 20 and the Z-axis stage 16 are fixed, and the actuator 20 is connected to the load cell 18. While applying a voltage to the actuator 20 and observing the micrometer attached to the Z-axis stage 16, a minute forced displacement is given to the actuator 20, and the reaction force at that time is measured using the load cell 18, and the rigidity of the actuator 20 is measured. Asked.
（PVCとDBAの重合比と剛性変化）
PVCと可塑剤のDBAの重合比による剛性変化の違いについて調べた。PVCとDBAの重合比を10:40（DBA40）、10:60（DBA60）、10:80（DBA80）、3種類のPVCゲルを作成し、それぞれの剛性を測定した。実験に用いたPVCゲルは、縦10mm、横50mm、膜厚1。0mmで、陰極のステンレス箔はゲル内部に挿入されている。また、陽極にはステンレスメッシュ電極(メッシュサイズ20)を使用し、5層積層したPVCゲルアクチュエータを用いて、剛性変化を測定した。測定結果を図４示す。
図4より、DBA40のものが最も剛性変化が大きいことがわかる。このことから、可塑剤の量を増やすことによって、剛性変化が小さくなる傾向にあると考えられる。
(Polymerization ratio and rigidity change of PVC and DBA)
The difference in stiffness change due to the polymerization ratio of PVC and plasticizer DBA was investigated. Three types of PVC gels with a polymerization ratio of PVC and DBA of 10:40 (DBA40), 10:60 (DBA60), and 10:80 (DBA80) were prepared, and the rigidity of each was measured. The PVC gel used in the experiment has a length of 10 mm, a width of 50 mm, and a film thickness of 1.0 mm. The cathode stainless steel foil is inserted inside the gel. Further, a stainless mesh electrode (mesh size 20) was used as the anode, and a change in rigidity was measured using a PVC gel actuator in which five layers were laminated. The measurement results are shown in FIG.
From FIG. 4, it can be seen that DBA40 has the largest rigidity change. From this, it is considered that the rigidity change tends to be reduced by increasing the amount of the plasticizer.
（PVCゲル膜厚と剛性変化）
PVCゲルの膜厚と剛性変化の違いについて調べた。PVCゲルの膜厚を0．5mm、1．0mm、1．5mmとした３種類のアクチュエータの剛性変化を測定した。測定結果を図５に示す。図５より、膜厚が0．5mmのものが最も剛性変化が大きくなることが分かった。
(PVC gel film thickness and stiffness change)
The difference in film thickness and stiffness change of PVC gel was investigated. Changes in stiffness were measured for three types of actuators with PVC gel thicknesses of 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm. The measurement results are shown in FIG. From FIG. 5, it was found that the change in rigidity is the largest when the film thickness is 0.5 mm.
（PVCゲルアクチュエータの積層数と剛性変化）
PVCゲルアクチュエータと積層数による剛性変化の違いについて調べた。積層数を５層、１０層、１５層とした3種類のアクチュエータの剛性変化を測定した。測定結果を図６に示す。図６より、積層数を多くすることで、アクチュエータの剛性を大きくすることができることが分かった。
これらの実験結果より、PVCゲルアクチュエータの剛性変化を最も大きくするためには、可塑剤の重合比を小さくし、PVCゲルの膜厚を薄くし、積層数を大きくすることで可能となると考えられる。
(PVC gel actuator lamination number and stiffness change)
The difference in stiffness change with PVC gel actuator and the number of layers was investigated. The change in rigidity of three types of actuators with 5 layers, 10 layers, and 15 layers was measured. The measurement results are shown in FIG. From FIG. 6, it was found that the rigidity of the actuator can be increased by increasing the number of stacked layers.
From these experimental results, in order to maximize the rigidity change of the PVC gel actuator, it is considered possible to reduce the polymerization ratio of the plasticizer, reduce the thickness of the PVC gel, and increase the number of layers. .
（可変剛性スパッツによる歩行アシスト）
伸縮性衣類の例として、スパッツにPVCゲルアクチュエータからなる可変剛性部を組み込んだ可変剛性スパッツとその作用について説明する。
可変剛性スパッツは、図７（ａ）に示すように、可変剛性部をスパッツの大腿部に組み込み、腰の部分と膝の部分を固定し、可変剛性スパッツとする。可変剛性部以外の部分には、通常のスパッツに用いられる高弾性素材を用いる。組み込まれたPVCゲルアクチュエータの剛性変化を制御して歩行アシストを行う。
(Walking assist with variable stiffness spats)
As an example of stretchable clothing, a variable stiffness spats in which a variable stiffness portion made of a PVC gel actuator is incorporated in spats and its operation will be described.
As shown in FIG. 7 (a), the variable stiffness spats are formed as variable stiffness spats by incorporating the variable stiffness portion into the thighs of the spats and fixing the waist and knee portions. High elastic materials used for ordinary spats are used for the portions other than the variable rigidity portion. The walking assist is performed by controlling the rigidity change of the PVC gel actuator incorporated.
その方法は、電場を加えたときのスパッツの剛性変化によって大腿部に力を作用させ、股関節の運動を補助することによって歩行をアシストする。具体的には、大腿部の前部と後部に可変剛性部を拮抗させて配置し、脚を前方に振り出すときは、前部のゲルの剛性を高くし、支持脚になっているときには後部のゲルの剛性を高くするように可変剛性部を制御する。このように可変剛性部を制御することにより、歩行を補助することができる。実験では、図７（ｂ）に示すように、右足大腿部の前部のみにPVCゲルアクチュエータを組み込み、右足を前方に振り出す際にPVCゲルアクチュエータの剛性を高くして、股関節運動を補助できるようにした。 The method assists walking by applying force to the thigh by changing the stiffness of the spats when an electric field is applied, and assisting the hip joint movement. Specifically, when the variable rigidity part is antagonistically arranged at the front part and the rear part of the thigh, and the leg is swung forward, the rigidity of the gel at the front part is increased, and when it is a support leg The variable stiffness portion is controlled so as to increase the stiffness of the rear gel. Thus, walking can be assisted by controlling the variable rigidity portion. In the experiment, as shown in Fig. 7 (b), a PVC gel actuator is incorporated only in the front part of the right foot thigh, and the rigidity of the PVC gel actuator is increased when swinging the right foot forward to assist hip joint movement. I was able to do it.
可変剛性スパッツによる歩行アシストでは、図８に示すように、電圧印加時のPVCゲルアクチュエータの剛性の増大による力Ｆによって歩行をアシストする。つまり、可変剛性スパッツによって股関節運動を補助し、歩行アシストを実現するためには、電圧印加時のPVCゲルアクチュエータの剛性がスパッツの剛性よりも大きくなり、電圧を印加していない状態のPVCゲルアクチュエータの剛性がスパッツと同程度となるようにして、股関節運動の抵抗とならないようにする必要がある。 In the walking assist by the variable stiffness spats, as shown in FIG. 8, the walking is assisted by a force F due to an increase in rigidity of the PVC gel actuator when a voltage is applied. In other words, in order to assist hip joint movement with variable stiffness spats and realize walking assist, the rigidity of the PVC gel actuator when voltage is applied is larger than the rigidity of the spats, and the PVC gel actuator is in a state where no voltage is applied Therefore, it is necessary to make the rigidity of the joints comparable to that of spats so as not to cause resistance to hip joint movement.
実験で使用したスパッツは(デュアリグ：登録商標 2WAY3/4ステッチタイツ)で、材質はポリエステル75%、ポリウレタン25%である。このスパッツを引張り、その時の伸びと応力から、スパッツの剛性を求めた。その測定結果を図９に示す。図９より、使用するスパッツの剛性は1。44kPaであることが分かった。
実験より電圧印加時のPVCゲルアクチュエータの剛性は最大で250kPaであるから（図６）、PVCゲルアクチュエータをこのスパッツに組み込み、可変剛性スパッツを作製することにより、剛性変化を利用して股関節屈曲時の運動を補助することができ、歩行をアシストすることが可能であると考えられる。
Spats used in the experiment were (Dualig: registered 2WAY3 / 4 stitch tights), and the material was 75% polyester and 25% polyurethane. The spats were pulled, and the stiffness of the spats was determined from the elongation and stress at that time. The measurement results are shown in FIG. From FIG. 9, it was found that the spats used had a rigidity of 1.44 kPa.
The experiment shows that the rigidity of the PVC gel actuator when a voltage is applied is 250 kPa at the maximum (Fig. 6). By incorporating the PVC gel actuator into this spat and creating a variable-stiffness spat, the stiffness change can be used to flex the hip joint It is considered that it is possible to assist the movement of the person and to assist walking.
（可変剛性スパッツの作製）
PVCゲルアクチュエータを実際にスパッツに組み込んだ、可変剛性スパッツの作製を行った。今回は、右脚の大腿部の前面にのみPVCゲルアクチュエータ4個を組み込んだものを作製した。使用したPVCゲルアクチュエータは、電圧印加時の剛性変化が最も大きくなるように、DBA40、PVCゲル膜厚0。5mm、積層数15層のアクチュエータを用いた。
図１０に構造図を示す。腰・膝・アクチュエータ間は剛性の高いワイヤ（ステンレス製）で接続し、PVCゲルアクチュエータによる力が脚にロスなく伝達されるようにした。また、膝周辺でのスパッツの伸展によるずれによってアクチュエータの発生力が失われないようにするため、ワイヤの端部を膝上部にテーピングして固定し、スパッツのずれを防ぐようにした。このようにすることにより、PVCゲルアクチュエータの剛性変化によって大腿部に力を加えることができ、股関節運動を補助して歩行アシストができる。
(Production of variable stiffness spats)
A variable-rigidity spats that actually incorporated the PVC gel actuator into the spats were manufactured. This time, we created a product that incorporated four PVC gel actuators only on the front of the right leg thigh. The PVC gel actuator used was an actuator with DBA 40, PVC gel film thickness 0.5 mm, and number of layers 15 so that the change in rigidity during voltage application was greatest.
FIG. 10 shows a structural diagram. The waist, knee, and actuator are connected with a highly rigid wire (made of stainless steel) so that the force generated by the PVC gel actuator can be transmitted to the legs without loss. In addition, the end of the wire is taped and fixed to the upper part of the knee in order to prevent the loss of the spats, so that the generated force of the actuator is not lost due to the displacement due to the extension of the spats around the knee. By doing so, a force can be applied to the thigh by the change in rigidity of the PVC gel actuator, and the hip joint motion can be assisted to assist walking.
（歩行アシスト実験）
上述した方法によって作成した可変剛性スパッツを実際に着用し、歩行アシスト感が得られるかどうか評価実験を行った。
被験者は20代男子学生１名で、図１１のように直立の状態から、ブザーの音に合わせ、 PVCゲルアクチュエータに電圧を印加・除去し、そのタイミングで足の上げ下げを行い、その時の足の上げやすさを、スパッツを着用した場合と、着用しない場合の違いを評価した。PVCゲルアクチュエータへの印加電圧は300Vである。
評価試験の結果、可変剛性スパッツを着用した方が、着用しない場合に比べ、足を上げるのが楽になる感じを得ることができた。この着用試験結果は、可変剛性スパッツが股関節運動を補助するように作用し、歩行アシストを実現する方法として有効に機能し得ることを示すものである。
(Walking assist experiment)
The variable stiffness spats created by the method described above were actually worn and an evaluation experiment was conducted to determine whether a walking assist feeling could be obtained.
The test subject was one male student in his 20s. From the upright state as shown in Fig. 11, voltage was applied to and removed from the PVC gel actuator in accordance with the sound of the buzzer, and the foot was raised and lowered at that time. The ease of raising was evaluated for the difference between when the spats were worn and when not. The applied voltage to the PVC gel actuator is 300V.
As a result of the evaluation test, it was possible to obtain a feeling that it was easier for the person wearing the variable stiffness spats to raise the foot than when not wearing it. This wearing test result shows that the variable stiffness spats act to assist hip joint movement and can effectively function as a method for realizing walking assist.
上述した可変剛性スパッツは、スパッツの大腿部の前部にPVCゲルからなる可変剛性部を組み込んだものであるが、前述したようにスパッツの大腿部の前面とこれに対向する位置の後面に可変剛性部を組み込む構成とすることもできる。この場合は、脚を前方に振り出す際には、前面の可変剛性部の剛性を高く、後面の可変剛性部の剛性を低くし、脚が地面を踏みしめる際には、前面の可変剛性部の剛性を低く、後面の剛性を高くするように制御すればよい。PVCゲルからなる可変剛性部は、剛性を低くした際にはスパッツと同程度の剛性になるから、脚の動作を妨げる（抵抗となる）ことはない。可変剛性部の剛性は、ゲルアクチュエータに電圧を印加する状態と印加しない状態とに切り替えるのみで制御できるから、脚の動作にあわせて電圧の印加を制御することは容易である。 The variable stiffness spats described above incorporate a variable rigid portion made of PVC gel at the front of the thighs of the spats, but as described above, the front surface of the thighs of the spats and the rear surface of the position facing this It can also be set as the structure which incorporates a variable rigidity part in this. In this case, when swinging the leg forward, the rigidity of the variable rigidity part on the front surface is increased, the rigidity of the variable rigidity part on the rear surface is decreased, and when the leg steps on the ground, the rigidity of the variable rigidity part on the front surface is reduced. What is necessary is just to control so that rigidity is low and the rigidity of a rear surface is made high. Since the variable rigidity part made of PVC gel becomes as rigid as spats when the rigidity is lowered, it does not hinder the movement of the legs (becomes resistance). Since the rigidity of the variable rigidity portion can be controlled only by switching between a state where a voltage is applied to the gel actuator and a state where a voltage is not applied to the gel actuator, it is easy to control the application of the voltage in accordance with the movement of the leg.
スパッツは伸縮性を備えた衣類であり、スポーツウェアにも利用されている。これはスパッツが、人の体形を整える作用の他に、人の動きを保護したり、補助したりする作用を有することによる。これらの作用はいわば受動的な作用であるのに対して、スパッツに可変剛性部を組み込んだ可変剛性スパッツは、スパッツの機能を損なうことなく、人の動きをより積極的に補助する作用を備えるものとなる。
人の動作を補助する衣類としては、スパッツのように下肢に着用するものに限らず、上肢に着用するものや、胴体部分等にも着用するものがある。このような、伸縮性を有する衣類で、人体の補整あるいは保護を目的とする衣類については、衣類の適宜部位に可変剛性部を組み込むことによって、人の動作を積極的に補助する機能を付与することが可能である。
Spats are elastic clothing and are also used in sportswear. This is because spats have an action of protecting and assisting the movement of a person in addition to the action of adjusting the shape of the person. While these actions are so-called passive actions, variable-rigidity spats that incorporate a variable-rigidity part in spats have the action of more actively assisting human movement without impairing the functions of the spats. It will be a thing.
Clothing for assisting human movements is not limited to those worn on the lower limbs such as spats, but is also worn on the upper limbs and worn on the trunk. For such clothing that has elasticity and is intended to correct or protect the human body, a function of actively assisting human movement is provided by incorporating a variable rigid portion in an appropriate part of the clothing. It is possible.
これらの伸縮性素材からなる補整あるいは保護用の衣類に可変剛性部を組み込む場合は、人の動作に合わせてその動作を補助できる位置に組み込めばよく、可変剛性部を組み込む位置や、組み込み数、大きさ、組み込み範囲は、用途に応じて、適宜選択することができる。場合によっては、伸縮性衣類の全面（全範囲）に可変剛性部を組み込み、可変剛性部を複数の区画に分割し、区画ごとに個別に剛性を制御するようにすることも可能である。 When incorporating a variable rigid part into a garment for protection or protection made of these elastic materials, it is only necessary to incorporate it in a position that can assist the movement according to the movement of the person, the position where the variable rigid part is incorporated, the number of incorporation, The size and range of incorporation can be selected as appropriate according to the application. In some cases, it is also possible to incorporate a variable rigidity portion on the entire surface (entire range) of the stretchable garment, divide the variable rigidity portion into a plurality of sections, and individually control the rigidity for each section.
また、本発明に係る可変剛性伸縮性衣類は、歩行アシストのように、動作を補助する利用方法に限られるものではない。可変剛性部の制御を動作を補助する制御とは逆に、動作に負荷を加えるように制御することで、運動能力を回復するためのリハビリ用として利用したり、スポーツ選手などで筋力を増強するトレーニングとして利用することも可能である。 Moreover, the variable-rigidity elastic clothing which concerns on this invention is not restricted to the utilization method which assists operation | movement like walk assist. Contrary to the control that assists the movement of the control of the variable rigid part, it can be used for rehabilitation to restore athletic ability, or the muscle strength of sports athletes can be increased by controlling the movement to add a load. It can also be used as training.
伸縮性を有する衣類に可変剛性部を組み込む方法は、従来のリンク機構を人体に装着する補助装置と比較して、衣類と同様に着用して使用することができるから、使用上の違和感が少なく、無理なく長時間着用して使用することが可能である。可変剛性部は電気的に制御することになるが、可変剛性部を制御する際に消費する電気エネルギーはわずかであり、電源を含む制御装置の小型化も容易で実用化が容易に可能である。 The method of incorporating the variable rigid portion into the stretchable garment can be worn and used in the same way as the garment compared to the conventional auxiliary device that attaches the link mechanism to the human body. It can be worn and used for a long time without difficulty. The variable rigid part will be electrically controlled, but little electric energy is consumed when controlling the variable rigid part, and the control device including the power supply can be easily downsized and easily put into practical use. .
１０ アノード
１２ａ、１２ｂ ＰＶＣゲル
１４ カソード
１６ Z軸ステージ
１８ ロードセル
２０ アクチュエータ
10 Anode 12a, 12b PVC gel 14 Cathode 16 Z-axis stage 18 Load cell 20 Actuator
Claims (2)
前記可変剛性部は、
メッシュ体と、該メッシュ体を挟む配置に設けた誘電性高分子からなるゲルシートと、ゲルシートの外面を被覆する電極層とを備え、前記メッシュ体とゲルシートと電極層とが厚さ方向に複数層に順次積層された積層型のゲルアクチュエータとして形成され、
前記可変剛性部は、前記ゲルアクチュエータのメッシュ体と電極層との間に電圧を加えた際の剛性が、前記伸縮性衣類自体の剛性を上回るとともに、前記メッシュ体と電極層との間に電圧を加えていない際における剛性が、前記伸縮性衣類自体の剛性と同程度であることを特徴とする伸縮性衣類。 A stretchable garment in which a variable rigidity portion is provided in a part or all of a stretchable garment,
The variable stiffness portion is
A mesh body, a gel sheet made of a dielectric polymer provided so as to sandwich the mesh body, and an electrode layer covering the outer surface of the gel sheet , the mesh body, the gel sheet, and the electrode layer having a plurality of layers in the thickness direction It is formed as a stacked gel actuator that is sequentially stacked on
The variable rigid portion has a rigidity when a voltage is applied between the mesh body of the gel actuator and the electrode layer, and exceeds a rigidity of the stretchable garment itself, and a voltage between the mesh body and the electrode layer. A stretchable garment characterized in that the rigidity of the stretchable garment itself is approximately the same as that of the stretchable garment itself .
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