JP6283799B1

JP6283799B1 - 腰部補助装置

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Publication number: JP6283799B1
Application number: JP2016200432A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　裕; 佐藤　　裕
Original assignee: 佐藤　裕; 佐藤裕
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2036-09-21
Also published as: JP2018047543A

Abstract

【課題】腰部補助装置の駆動機構の駆動源を作動させたときに、駆動源の駆動力が効果的に利用者へ伝達されるようにすること。【解決手段】利用者の上体を支持する上体支持部２０と、利用者の下肢に装着される下肢装着部３０と、前記背中装着部１０と前記下肢装着部２０とを利用者の前屈動作に対応する方向へ回転可能に連結する関節部４５Ａ,４５Ｂと、この関節部４５Ａ，４５Ｂを人体の腰部側方へ固定する腰部装着部４０と、作動状態において前屈した利用者の上体を起こすような力を背中装着部１０および上体支持部２０へ作用させる駆動機構５０を備えた腰部補助装置において、取付け部は、利用者の上体前屈動作過程の前屈度合に対応して、前記背中装着部１０に対する前記上体支持部２０の取付け位置が上下方向へ移動する位置調整機構、と、前記背中装着部１０に対する前記上体支持部２０の取付け前傾角度が変化する前傾角度調整機構を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、腰部補助装置に関する。

従来から、重量物の持ち上げや移動に際して、利用者の上半身の前屈動作を補助するための補助装置が知られている。例えば、本発明の発明者等が先に出願した発明に関する特許文献１には、背中装着部、腰装着部、下肢装着部、利用者が前方へ傾倒可能になるように背中装着部を下肢装着部に連結する関節部、及び、重い荷物を持った利用者の起き上がり動作を補助するように動作する駆動機構を備えた腰部補助装置が開示されている。特許文献１の腰部補助装置には、さらに、前記背中装着部の前面に利用者の肩、胸、背中を背中装着部へ固定する中間部材としての上体支持部が設けられている。

このように構成された腰部補助装置が利用者に装着され、前屈姿勢をとった利用者が立ち上がる時に前記駆動機構を駆動すると、下肢装着部が大腿パッドによって操作者の下肢に係止されているためその回転が規制され、前記背中装着部へ駆動機構の駆動力による反力が伝達され、利用者が支持固定された上体支持部へその力がもたらされ、結果として利用者の操作力が軽減されるようになっている。

前述のごとく構成された腰部補助装置は、腰部装着部を腰へ固定し、背中装着部を背負い上体支持部の取付け位置を調整して上体（肩・胸・背中）へそれを固定し、下肢装着部を大腿部へ係止するように、利用者へ装着される。これらの装着部のうち、腰部装着部と上体支持部とは固定ベルトによって利用者の腰および上体へ締め付け固定されるようになっているが、上体支持部を利用者の上体へ装着するベルトは、緩みを持たせた締め付け状態を保持する必要があった。このために、利用者の背中と上体支持部および背中装着部との間、または利用者とベルトの間に隙間が生じ、駆動機構が駆動を開始しても直ちにその駆動力が利用者へ伝達されずに、駆動機構の動作が利用者の荷物持ち上げ動作補助に十分に寄与しない場合や、腰部補助装置による動作補助に遅れが出ること等が想定されるものであった。

さらに、前記特許文献１にて開示された発明には、上体支持部を上下方向へ移動可能としている支持棒が設けられ、上体支持部の取付け固定位置を調整できるようになっているが、上体支持部の取付け固定位置は利用者の身長に合わせてその都度調整する必要があると想定されるものであった。

さらに前述のごとく構成された腰部補助装置は、利用者が上体支持部の固定ベルトをきっちりと絞めた状態では肩を左右や後方へ回転する動作をしにくく、脚の位置を変えないと、肩を左右や後方へ回転したり重量物を斜めに持ち上げたりするような動作が難しいという不便さがあった。

従来技術の腰部補助装置には、上記の如く装置の性能上の課題、操作性の課題が見受けられるが、それらの課題が解決されると、腰部補助装置の普及がさらに促進されると考えられる。

特開２０１１−８７９２６号公報

本発明は、上記課題を解決すること、すなわち、腰部補助装置の駆動機構の駆動源を作動させたときに、駆動源の駆動力が効果的に利用者へ伝達されるようにすることを第一の目的とし、さらに腰部補助装置を利用する利用者の身長または座高に自動的に対応することができる腰部補助装置を提供することを第二の目的とする。

さらに本発明は、腰部補助装置を装着した利用者が脚の位置を変えずに肩を左右や後方へ回転したり、重量物を斜め横に持ち上げるような動作をしたりすることができるようにすることを第三の目的とする。

上記第一乃至第三の目的を達成するために本発明の腰部補助装置は、以下に記載の如く構成される。

すなわち、本発明の目的を達成するために本発明の腰部補助装置は、利用者の背部に装着される背中装着部と、この背中装着部に取付け部を介して連結され、ベルトを介して利用者の上体を支持する上体支持部と、利用者の下肢に装着され回転を規制される下肢装着部と、前記背中装着部と前記下肢装着部とを利用者の前屈動作に対応する方向へ回転可能に連結する関節部と、この関節部を人体の腰部側方へ固定する腰部装着部と、作動状態において前屈した利用者の上体を起こすような力を前記背中装着部と前記下肢装着部との間に作用させる駆動機構を備えた腰部補助装置において、前記取付け部は、前記背中装着部に設けられた上下方向ガイド部材と、このガイド部材へ係合され前記上下方向への移動と左右方向への旋回をする移動部材と、一端が前記上体支持部へ結合されるとともに他端が前記移動部材へ係合され前傾角度が変化する連結具とから構成される。（請求項１）

上記本発明の腰部補助装置において、前記駆動部は、前記背中装着部と前記下肢装着部との間に設けられ、空気を給排することで径と長さが変化する空気圧式アクチュエータを駆動源として含み、この空気圧式アクチュエータへの給気により発生した力を、回転を規制された前記下肢装着部へ作用する力の反力として前記背中装着部に作用させ、前屈状態にある利用者の上体を起こすように構成することができる。（請求項２）

そして、上記本発明の腰部補助装置において、前記駆動部は、前記背中装着部の関節部分を取付けベース部材として固定されたＤＣモータを駆動源として有し、このＤＣモータの出力軸に、前記下肢装着部のフレーム部材が回転体として固着されるとともに前記腰部装着部のフレーム部材が回転可能に取り付けられ、前記ＤＣモータの電源がオンした時に、前記下肢装着部の回転が規制されていることから前記ＤＣモータ本体と前記背中装着部が共に回転し、前屈状態にある利用者の上体を起こすように構成されても良い。（請求項３）

本発明は従来装置において、利用者が背中装着部を身体へ緩みを持たせて装着せねばならない理由を追求した結果に基づいてなされたものである。すなわち、利用者が自然に立った状態で装置を装着し、重い荷物を持つために身体を前屈する（前かがみになる）と、身体と背中装着部が体長方向において位置ずれが生ずる。この位置ずれは身体を前屈すると、身体のほうが背中装着部に対し上側に移動するようになる。この位置ずれが生ずる原因は、利用者が前屈する場合、脊椎が立った状態とは異なって弓型に前方へ屈曲することになって、利用者の背中装着部に対面する背中体表面が背中装着部よりも伸びるためである。これは、脊椎は椎骨同士が椎間板により連結されているが、利用者が前屈すると、前屈した利用者の椎骨同士の間隔が背中体表面側にて大きくなり、胸部側にて短くなることから理解される。

本発明は腰部補助装置へ、背中装着部へ利用者の背中と接する上体支持部を設け、利用者の前屈過程における前屈深度に応じて、背中装着部に対する上体支持部の上下方向（利用者の体幹方向）への取付け位置が変化する位置調整機構を設けたので、利用者が前屈する際に背中の丸みによって生ずる背中装着部と利用者の背中の間の位置ずれが前記位置調整機構によって補償されるとともに、前記背中装着部に対する前記上体支持部の取付け前傾角度が変化する前傾角度調整機構を設けたので、利用者の背中と上体支持部とが利用者の作業中に密着しているので、上記位置ずれ補償がスムーズに行われる。したがって、前記上体支持部へ利用者の上体を緩みなく締付け固定することができるので、駆動機構の駆動力を効果的に利用者の上体へ伝達することができる。
なお、上記位置調整機構は駆動機構の駆動力を効果的に利用者の上体へ伝達するという作用の他に、身長や座高の異なる非特定多数の利用者毎に特別な調整をすることなく、単一の腰部補助装置を利用可能とする。

また、本発明の腰部補助装置は、前記上体支持部と前記背中装着部との間の取付け部に前記上体支持部を利用者の左右方向へ旋回動させる旋回機構を備えているため、前記上体支持部に締付け固定された上体を利用者が左右に捩じった場合に、前記上体支持部が利用者の上体の捩じりに追従するので、左右の側方に上体正面を対面させたり、後方を振り返ったりすることが可能となり、また重い荷物を斜めに後方へ持ち上げることも可能となる。

前記位置調整機構と前傾角度調整機構と旋回機構とは、前記背中装着部に設けられた上下方向ガイド部材と、このガイド部材へ係合され前記上下方向への移動と左右方向への旋回をする移動部材と、一端が前記上体支持部へ結合されるとともに他端が前記移動部材へ係合され前傾角度が変化する連結具との単純でコンパクトな構成が可能であり、また背中装着部の背後に突起物がないことから使い勝手も良い装置となる。

本発明の第１の実施例になる腰部補助装置の斜視外観図である。背中装着部と上体支持部の連結部を示す斜視図である。利用者が腰部補助装置を装着した時の簡略側面図である。利用者が前傾姿勢を取った時の簡略側面図である。利用者が駆動機構を動作させて荷物を持ち上げる時の簡略側面図である。本発明の第２の実施例になる腰部補助装置の駆動機構の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施例になるＤＣモータ直接駆動型腰部補助装置の関節部縦断面図である。

以下、図面を用いて本発明の腰部補助装置の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施例を示す腰部補助装置の外観を示している。図１において、１０は背中装着部、２０は上体支持部、３０は腰部装着部、４０は下肢装着部、５０は駆動機構である。なお、腰部補助装置全体は、正面視で左右対称であり、装置の構成部品番号に付した符号のＡ，Ｂによってその配置の左右を識別している。

背中装着部１０は、メイン構成部である背中フレーム１１とその周辺部材とから構成されている。背中フレーム１１は、２本の背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂを逆Ｖ字状に組み合わせるとともに、それらの背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂを中間部で接続固定する連結部材１２によってフレーム状に形成されている。さらに、背中フレーム１１は、背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂのそれぞれの下端部に腰部サイド部材１３Ａ，１３Ｂが背中フレーム部材に対して略くの字状を形成するように接合されて形成されている。腰部サイド部材１３Ａ，１３Ｂは使用時に利用者の腰部分の両サイドに位置するものである。なお背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂは、本実施例では後述の駆動機構のアクチュエータを収容することができるように、中空のパイプ材を用いている。中空のパイプ部材を用いることで利用者の安全を図っている。
背中装着部１０の上端部には連結支持板１５が背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂへ取り付けられ、図１では現わされていない連結部により背中装着部１０と上体支持部２０が連結されている。

上体支持部２０は、背中支持板２１と、この背中支持板２１に取り付けられた肩ベルト２２Ａ，２２Ｂと、これらの肩ベルト２２Ａ，２２Ｂを繋ぐベルト２２Ｃとを有している。肩ベルト２２Ａ，２２Ｂは図では省略されているが中間部が解放端とされ、それらの端部にマジックテープまたはバックル等の締結具（図示省略）が取り付けられていて、これらの締結具により利用者の上体を締付け、背中支持板２１へ利用者の背中を密着固定できるようになっている。ベルト２２Ｃは、締結状態にある肩ベルト２２Ａ，２２Ｂが利用者の上体から外れないように、肩ベルト２２Ａ，２２Ｂを繋ぐものである。なお、背中装着部１０と上体支持部２０の連結部については後に詳述する。

背中装着部１０の下端部の内側には腰部装着部３０が設けられている。腰部装着部３０は、腰部サイドフレーム部材３１Ａ（図示省略），３１Ｂと、腰部後方フレーム部材３１Ｃとで腰部フレーム３１としてコの字状に形成され、前記腰部サイドフレーム３１の開放両端部に固定された腰ベルト３２を有している。この腰ベルト３２も上記の肩ベルト２２Ａまたは２２Ｂと同様に中間部が解放端とされ、マジックテープ等の締結具（図示省略）で利用者の腰へ装置を固定できるようになっている。なお、腰部後方フレーム部材３１Ｃの利用者への当接面には、その長さ方向中間部に柔軟な材料からなる腰当て部材３４が設けられている。また３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、３２と同様腰ベルトでも代用可能である。

下肢装着部４０は、利用者の下肢に沿って配置される下肢フレーム４１Ａ，４１Ｂと、この下肢フレーム４１Ａ，４１Ｂの先端部に取り付けられ、利用者の大腿部の下方の前部を取り囲む形状をした大腿パッド４２Ａ，４２Ｂと、下肢フレーム４１Ａ，４１Ｂの上端部に設けられた関節部４５Ａ，４５Ｂを有している。

関節部４５Ａ，４５Ｂは、背中装着部１０と腰部装着部３０と下肢装着部４０とを連結し、人体の腰関節に相当する機能を有するもので、これらの背中装着部１０と腰部装着部３０と下肢装着部４０とが相対的に回転可能なように回転軸４６Ａ，４６Ｂ（図示省略）により軸支されている。回転軸４６Ａ，４６Ｂは，それらの中心軸がＸ軸を同芯として配置され、下肢フレーム４１Ａ，４１Ｂと回転軸４６Ａ，４６Ｂとは、例えばキー等で連結固定されていて、一方、背中装着部１０と腰部装着部３０は軸４６Ａ，４６Ｂに対しフリーに回転可能となっている。なお、前記背中装着部１０と腰部装着部３０と下肢装着部４０との相対的回転範囲は、それぞれに所定角度の限定をつけることが望ましい。例えば、背中装着部１０と腰部装着部２０との間は４５°に、背中装着部１０と下肢装着部３０との間は１００°程度に限定することで利用者にとって腰部補助装置の着脱時の取り扱いが良くなると考えられる。

次に本実施例の駆動機構５０の一例について説明する。駆動機構５０は、背中装着部１０の背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂのそれぞれの内部に一端を固定して配置された流体圧式アクチュエータ５１Ａ、５１Ｂと、腰部サイド部材１３Ａ，１３Ｂの背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂとの接合部近傍に設けられたアイドルプーリ５２Ａ，５２Ｂと、下肢装着部４０の関節部４５Ａ，４５Ｂの軸４６Ａ，４６Ｂに下肢フレーム同様にキー等で連結固定されたプーリ５３Ａ，５３Ｂと、ワイヤ５５Ａ，５５Ｂと、図示を省略された流体の供給源とバルブを含む流体の給排コントローラからなる。ここに、流体供給源は，例えばコンプレッサである。また流体の給排コントローラには、流体をコンプレッサから流体圧式アクチュエータへ供給するための電磁バルブと、流体圧式アクチュエータ内の流体を外部へ排出するための電磁バルブが備えられている。

流体圧式アクチュエータ５１Ａ，５１Ｂは、本発明の発明者らが先に出願した特許文献２に開示された流体圧式アクチュエータ、例えば、空気圧式アクチュエータを用いることができる。空気圧式アクチュエータは、弾性体からなるインナーチューブを伸縮性のない高張力繊維を網状にしたメッシュスリーブで被覆した筒状体であって、空気が内部へ注入されると径が膨張するとともに長さが短縮し収縮力を発生する膨張収縮体である。その詳細は前記特許文献２に詳細に記述されているので、ここではその構成及び動作についての説明は省略する。

特開２０１５−１０８４３６号公報

ワイヤ５５Ａ，５５Ｂは、その一端が流体圧式アクチュエータ５１Ａ，５１Ｂの自由端へ結合され、そしてアイドルプーリ５２Ａ，５２Ｂで方向変更され、プーリ５３Ａ，５３Ｂへ少なくとも１回程度巻き付けられて、その端部をプーリ５３Ａ，５３Ｂまたは下肢フレーム４１Ａ，４１Ｂへ固定されている。ワイヤ５５Ａ，５５Ｂの長さは背中フレーム１１が最も前傾した時の必要な長さが与えられる。そして、背中フレーム１１にはワイヤ５５Ａ，５５Ｂのアクチュエータの自由端近傍から固定端へ向けて図示を省略した引張ばねが設けられ、それによって利用者の立位時（装着時）と前屈時のワイヤのたるみ防止を行っている。なお、ワイヤとプーリの径は、ワイヤ５５の寿命を考慮して、ワイヤ径（ｄ）を２．５ｍｍ、破断加重を４５０ｋｇｆ、プーリ径（Ｄ）を６０ｍｍ〜１００ｍｍ程度、可能であれば１００ｍｍ（Ｄ＝４０ｄ）とすることが望ましい。特にプーリ５３Ａ，５３Ｂの径は背中装着部に作用するトルク、すなわち利用者が感じる操作力に関係するので、なるべく大きくすることが望ましい。

次に、本発明の特徴とする背中装着部１０と上体支持部２０との連結部６０の一構成例について図２を用いて説明する。背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂの間隔が狭くなっている上方部分に、背中フレーム部材１１Ａ、１１Ｂの上端部での結合と、連結部６０の取付ベースを兼ねた連結支持板１５が配置されている。

この連結支持板１５の前面に上体支持部２０の位置調整機構６０Ｌが取り付けられている。この位置調整機構６０Ｌは、連結支持版１５に固定されたＵ形の取付金具６１と、この取付金具６１によってその軸心を上下方向へ向けて支持されたスライド軸６２と、このスライド軸６２に篏合させられたスライド軸受６４と、このスライド軸受６４を保持しつつスライド移動するスライド金具６３とから成る。以上の構成になる位置調整機構は、直線（リニア）スライド機構として知られているものである。上体支持部２０はこの位置調整機構６０Ｌへダイレクトに連結されても良いが、本実施例では後述の中間部材を介して連結されている。なお、スライド軸６２は円柱状の鋼製の軸であり、またスライド軸受６４は円筒状の銅合金製の軸受ブッシュや、樹脂製のブッシュを使用することができる。

スライド軸６２と、スライド軸受６４と、それを保持したスライド金具６３は、上体支持部２０の利用者における左右方向への旋回動のための旋回機構６０Ｒの機能を兼ねている。スライド軸６２は円柱状の軸であり、スライド軸受６４は円筒状の軸受ブッシュであるから、スライド金具６３はスライド軸６２の周りに左右方向へ旋回動することが可能である。したがって、スライド金具６３へ上体支持部２０を連結すれば、上体支持部２０は利用者の左右方向へ旋回動することができる。

さらに、連結部６０には上体支持部２０を背中装着部１０に対して前傾させるための前傾角度調整機構６０Ｓが設置されている。この上体支持部の前傾角度調整機構６０Ｓは、前記スライド金具６３と、スライド金具６３の軸受ブッシュ軸心より前方にて両端を突き出して固定された回転軸６５と、この回転軸６５の両端部にて篏合固定された連結具６６とから成る。連結具６６に篏合固定された回転軸６５とスライド金具６３は、連結具６６が背中装着部１０に対して前傾可能なように篏合されている。なお回転軸６５とスライド金具６３との間には前記位置調整機構６０Ｌと同様にブッシュを挿入するとスムーズな動作を得ることができる。なお、上記上体支持部２０の旋回動作並びに前傾動作を好適な範囲で行うためには、位置調整機構６０Ｌのスライド軸６２は、背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂの前面近傍へ、できれば背中フレーム部材１１Ａ，１１Ｂの前面より前方へ配置することが望ましい。

以上述べたように、連結具６６へ取り付けられた上体支持部２０は、位置調整機構６０Ｌによって上下方向への位置の変更と、前傾角度調整機構６０Ｓによって背中装着部１０に対する前傾角度の変更を所定の範囲内で行うことができる。また上体支持部１０は旋回機構６０Ｒによって利用者の左右方向へ所定範囲内で旋回動することができる。

次に上記の如く構成された腰部補助装置の動作を説明する。図３は腰部補助装置を利用者が装置を装着して立った（立位）状態を、図４は利用者が前屈した（前屈位）状態を、図５は利用者が荷物を持ち上げる動作中の状態を、利用者の側方から装置の骨格のみを簡略的に示した図である。なお本説明に際しては、部品の左右識別の符号Ａ、Ｂは省略する。

先ず、利用者が装置を装着するに際し、流体圧式アクチュエータ５１は、流体の給排コントローラの排気バルブによって、内部の圧力が大気圧へ解放されている。このために、流体圧式アクチュエータ５１は、図３に示すように、径が細く、長さが長い状態にある。この状態で利用者は、肩ベルト２２に腕を通し、上体支持部２０を介して腰部補助装置を背負い、そして、腰ベルト３２を解放して腰部フレーム３１の内側へ腰を入れる、骨盤部（股関節近傍部）へ下肢装着部４０の関節部４５の位置を合わせるとともに、腰フレーム３１の腰当部材３４によって下肢装着部３０が安定して装着位置を維持できることを確かめた後、利用者は腰ベルト３２と肩ベルト２２を（緩みのない）適度な締付け状態となるように締付け、腰部補助装置の装着を完了する。肩ベルト２２を締め付ける時に、上体支持部２０は肩ベルト２２の締付けに伴って利用者の身長または座高に合わせて自動的に上下方向（体幹方向：Ａ方向）へスライドして装着時の位置調整がされる。この装着時のスライド位置調整は、背中装着部１０と上体支持部２０との間に設けられた連結部６０の位置調整機構６０Ｌ（リニアスライド機構）によって行われる。利用者の身長または座高へ合わせて上体支持部２０の上下方向（Ａ方向）装着位置が自動的に調整されることも本発明の特徴点の一つである。

次に腰部補助装置を装着した利用者は、図４に示すように、荷物や被介護者等の重い物や人を持ち上げるために前屈動作をする。利用者が前屈動作を開始すると、その前屈過程において利用者の上体へ締付け固定された背中支持板２１と背中フレーム１１は利用者の前屈深さに追従してＢ方向へ前傾を始める。利用者がさらに前屈動作を進めると、前屈深度に応じて利用者の背中が徐々に丸みを帯びることになる。そして利用者の背中が丸みを帯びると、装置の装着時に比較して、背中表面の頸部に近い部位ほど背中フレーム１１から離れるとともに、背中表面の体幹方向距離が装着時より長くなる。このため背中支持板２１が背中フレーム１１に対して固定されていると、利用者の肩に肩ベルト２２が食い込むようになって、利用者の前屈動作を妨げる。そのために従来技術では、腰部補助装置を利用者が装着する時に、肩ベルト２２を緩く締めるように推奨していた。この結果として、利用者が立ち上がろうとするときに駆動機構のアクチュエータの駆動力が時遅れをもって上体支持部２０へ伝達されるとか、駆動力が補助力として利用者へ伝達される補助力伝達角度範囲が狭くなるなど、アクチュエータの駆動力が効果的に利用者へ伝達できないことがあった。

しかし本実施例では、背中支持板２１が背中フレーム１１に対してＡ方向（上下方向または体幹方向）へ位置調整機構６０Ｌ（リニアスライド機構）によりスライド可能とされ、さらに背中支持板２１が前傾角度調整機構６０ＳによりＣ方向（前後方向）へ前傾動作可能とされている。このため、腰部補助装置の利用者の前屈時に、上体支持部２０は利用者の上体の伸び及び曲がりへ自動的に追従するので、肩ベルト２２をきっちりと上体支持部２０へ締め付けることが可能となり、背中装着部１０と上体支持部２０と利用者との間に故意に隙間を設ける必要はなく、装置の動作そのものが利用者へ伝達できるようになる。

利用者が上体を前屈する時のワイヤ５５の挙動を説明する。上体支持部２０を介して背中装着部１０の背中フレーム部材１１およびそれらに連なる腰部サイド部材１３が利用者の上体に追従して前傾すると、腰部サイド部材１３に取り付けられたアイドルプーリ５２も一緒に同方向へ回転する。背中フレーム１１が前傾して行くときに下肢フレーム４１は大腿パッド４２が利用者の大腿へ係止されていることから回転することができず、プーリ５３も回転しない。このためにワイヤ５５はプーリ５３へ巻き付けが増す方向（Ｄ方向）へ巻きつけられる。このプーリ５３へ新たに巻きつけられたワイヤの長さ分が流体圧式アクチュエータ５１の自由端部で引張ばねにより撓ませておいた部分から繰り出される。そして、流体圧式アクチュエータ５１とワイヤ５５は、下肢フレーム４１に対して背中フレーム１１が所定角度（利用者の前屈動作の限界角度）に到達するまでに、緩みなく動作する状態となるようになっている。

そして利用者が荷物を腕に抱え、それを持ち上げる動作を始めるタイミングで駆動機構５０の流体給排コントローラに対しコンプレッサから流体圧式アクチュエータ５１へ流体を供給させるスイッチをオンする。すると、流体圧式アクチュエータ５１へ流体を供給する吸気バルブが開き、流体圧式アクチュエータ５１へ流体が供給され、アクチュエータ５１の径が膨張するとともに長さが短縮し始めて、図５に示すように収縮力Ｆが発生する。そしてワイヤ５５へアクチュエータの収縮力Ｆが伝達される。ワイヤ５５へその収縮力Ｆが伝達されると、下肢装着部４０の連結部４５のプーリ５３へ巻付いたワイヤを介して下肢フレーム４１へトルクＴ＝Ｆ×Ｒ（但し、Ｒはプーリ５３の半径）が作用する。この下肢フレーム４１へ作用するトルクＴは下肢フレーム４１を回転させようとして作用するが、下肢フレーム４１に取り付けられた大腿パッド４２が利用者の大腿部に当たっているため下肢フレーム４１の回転は阻止される。その結果、下肢フレーム４１へ作用したトルク（Ｔ）の反作用トルク（−Ｔ）が腰部サイド部材１３及び背中フレーム１１を介して背中支持板２１へ作用することとなる。なお、流体圧式アクチュエータ５１の収縮力Ｆは、アクチュエータの収縮率に応じてほぼ反比例する特性を有している。この収縮力特性は本発明の腰部補助装置のような前傾角度が小さくなるに従い荷重作用点が身体に近くなるような装置へ適用するのに好適であると考えられる。

この時の背中フレーム１１の動きを説明すると、流体圧式アクチュエータ５１が収縮し始めるとワイヤ５５はアクチュエータ側へ引っ張られる。しかし、プーリ５３が上述の如く回転しない。すると流体圧式アクチュエータ５１が収縮した分のワイヤ長はプーリ５３へのワイヤ５５の巻き付け量の減少となり、すなわちプーリ５３からアイドルプーリ５２へ向かって引き出されるプーリ５３におけるワイヤ引出し点が移動して、背中フレーム１１が起き上がる現象となって現れる。

そして、利用者の起き上がり動作の進行とともに、利用者の背中の曲がりも修正されるため、上体支持部２０はその上方が後方へスイングしながら背中装着部１０において下方に徐々にスライドして下がって行く。そして利用者が作業を終え、駆動機構５０のアクチュエータへの流体供給スイッチをオフすると、吸気バルブが閉じて排気バルブが開き、流体圧式アクチュエータ５１のインナーチューブから流体が排出され、その径が収縮し長さが伸びて元の状態に戻り、腰部補助装置も利用者が装着した時の状態へ戻る。なお、利用者が起き上がり動作の途中で吸気バルブ及び排気バルブの双方を閉じると、その時点の腰部補助装置の出力が維持される。

ここで腰部補助装置による利用者の負担軽減の一例を述べる。今仮に、流体圧式アクチュエータの径を１．５インチ、長さを５０ｃｍ、アクチュエータ１本の収縮力を２００ｋｇｆとし、プーリ５３の径を１０ｃｍ、ワイヤ径を２．５ｍｍ、破断荷重を４５０ｋｇｆとする。そして、下肢装着部の関節部軸中心から上体支持部２０と背中装着部１０の連結点までの距離を４５ｃｍと仮定する。この場合、背中フレーム１１に作用するトルクはアクチュエータを２本使用するとして、２００ｋｇｆ×５ｃｍ×２＝２，０００ｋｇｆ−ｃｍとなり、上体支持部２０と背中装着部１０の連結点に作用する力は２，０００ｋｇｆ−ｃｍ／４５ｃｍ≒４４．４ｋｇｆとなる。この連結点に作用する力が背中フレーム１１へ直角に近いことを考慮すると、利用者が例えば５０ｋｇ重の重量物を持ち上げるときに上記腰部補助装置を使うと、重量物の重さの８０％程度が補助されることになる。すなわち、５０ｋｇ重の荷物を１０ｋｇ重程度の荷物の感覚で持ち上げることができる。

本実施例ではさらに、腰部補助装置を装着した利用者が上体を左右へ捩じる動作を可能としている。この上体を左右に捩じる動作は重量物を、単に上方へ持ち上げるのではなく、脚を移動せずとも斜めに持ち上げたり、首の回転だけではなく肩の回転と併せて後方を振り返ったりすることを可能とする。上記上体の左右回転機能は、背中支持板２１と、連結部６０のスライド軸６２とスライド軸受６４とスライド金具６３との結合によりもたらされる。すなわち、肩ベルト２２Ａ，２２Ｂを締め付けることで背中支持板２１へ密着支持された上体を左または右へ振ると、スライド軸６２を中心として背中支持板２１が左右へ旋回する。この旋回動は単独動作として、または他のリニアスライド機構や前傾角度可変機構と合わせた動作としても可能である。したがって、前傾して荷物を持った利用者がそれを持ち上げながら上体を捩じって体の側方へ荷物を持ち上げることが可能である。もちろん後方を振り返る動作だけでも可能であることは言うまでもない。

本発明の補助装置の要部は、下肢装着部へ作用するトルクの反作用トルクを背中装着部へ作用させることにあり、その駆動源を上記第１の実施例では流体圧式アクチュエータとして説明したが、駆動源はモータ、例えばＤＣモータであっても良い。ＤＣモータの出力トルク特性が流体圧式アクチュエータの収縮力‐収縮率特性に似たものであるからである。すなわち、流体圧式アクチュエータは収縮開始時に最も収縮力が大きく、収縮率が増すに連れて収縮力が減少する。ＤＣモータは起動トルクが最も大きく、回転数が増すに連れてトルクが減少する。このように、両者の動作特性が似ており、両者には置換性があると考えられる。

ＤＣモータを駆動源として用いる一例は、図６に示すように、例えば、上記第１の実施例のアイドルプーリ５２の位置にＤＣモータ５６を配置しプーリ５２を駆動する。それらを電磁クラッチ５８によって連結および切り離し可能にする。この場合プーリ５２には１周以上のワイヤ巻付けをしてその端末をプーリ５２へ固定する。そしてこのプーリ５２の回転軸の一端へ捩じりバネ５９を設け、この捩じりバネ５９によりワイヤ５５のたるみ防止を行うようにする。なお、このモータ駆動の場合、電源とモータのコントローラが必要であるが、以下の動作を参照してそれらを制御することは容易に可能であろう。以下、ＤＣモータ駆動式の腰部補助装置をモータ式腰部補助装置と称し、その動作を説明する。

まず、モータ式腰部補助装置を利用者が肩ベルト２２に両腕を通して装着する。そして、下肢装着部４０の大腿パッド４２および関節部４５を、太腿および腰関節部へ位置決めして、腰ベルト３２および肩ベルト２２を締め付けて腰部補助装置を着用する。この時、ＤＣモータ５６と電磁クラッチ５８の電源はオフされている。電磁クラッチ５８がオフしているとプーリ５２はフリーに回転できるので、捩じりバネ５９によってワイヤ５５にテンションがかかるようになっている。すなわちワイヤ５５の弛み防止がなされている。そして利用者が作業のために前屈姿勢に入ると、それに応じて背中装着部１０、上体支持部２０が関節部４５を中心として前方へ回転する。背中装着部１０が前方へ回転するとワイヤ５５が腰関節部４５のプーリ５３へ巻付いてその巻付き量が捩じりバネ５９の力に抗してプーリ５２から繰り出される。

次いで、利用者が荷物を持ち上げるタイミングでＤＣモータ５６と電磁クラッチ５８を同時にオンさせるスイッチを操作する。電磁クラッチ５８がオンするとモータ５６の出力トルクがプーリ５２へ伝達される。ＤＣモータ５６のトルクはプーリ５２がワイヤ５５を巻き上げる方向へ作用し、下肢装着部４０の関節部４５のプーリ５３を介して下肢フレーム４１を回転させようとする、しかし下肢フレーム４１は大腿パッド４２によって回転を規制されているので、下肢フレーム４１を回転させようとするトルクの反作用トルクが背中フレーム１１へ作用する。この反作用トルクは背中フレーム１１から連結部６０と上体支持部２０を介して利用者の上体へ作業力の補助力として作用する。

この補助力を受けた利用者が上体を起こすと、モータ式腰部補助装置の上体支持部２０、背中装着部１０も起き上がり、腰関節部のプーリ５３においてワイヤ５５の巻き減らしが起き、プーリ５２においてはワイヤ５５の巻き上げが起こる。そして利用者が荷物を持ち上げて立位になったこと、または背中フレーム１１と下肢フレーム４１のなす角度が所定値になったことが検出されるとＤＣモータ５６および電磁クラッチ５８がオフされ、利用者が腰部補助装置を着用した時の状態へ戻る。

モータ駆動式を採用すると、プーリ５２と回転しない関節部４５のプーリ５３との間に生ずるワイヤの長さ補正が容易に可能と考えられる。それは流体圧式アクチュエータ駆動ではアクチュエータの自由端部またはその近傍でワイヤの長さ調整を行わねばならないが、それと比較し、モータ式駆動ではプーリ５２に捩じり力を付加する構成（上記実施例では捩じりバネ５９を追加）とすることで済むからである。

次に、モータを駆動源とする第２の実施例の変形例を説明する。すなわち、第２の実施例ではモータを図１の実施例のアイドルプーリ５２の所へ設けたが、本実施例では関節部４５の位置へＤＣモータを組み込む。これによりワイヤロープ５５やプーリを省略することができる。図７は左右対称の左側関節部４５ａの軸部縦断面を示している、図７において、５６ａはＤＣモータで、背中フレーム１１の腰部サイド部材１３ａを取付けベースとしてモータ本体がねじ止めされ、その出力軸は腰部サイド部材１３ａに加工された軸径より大きな穴を貫通している。そしてＤＣモータ５６ａの出力軸に下肢フレーム４１ａと腰部フレーム３１ａが取り付けられている。下肢フレーム４１ａはモータ出力軸へ沈みキーまたは止めねじにて強固に固定されている。一方腰部装着部３０の腰部フレーム３１ａはモータ出力軸へベアリングまたは軸受ブッシュ３３ａを介して取り付けられ、モータ出力軸に対して回転可能となっている。この他の構成として、モータ本体は下肢フレーム４１ａを取付けベースとして取付け、腰部サイド部材１３ａをモータ出力軸へ固定するという態様も可能である。なお、この実施例でも電源とＤＣモータのコントローラが別途必要であることは言うまでもない。

上記モータ直接駆動型腰部補助装置の動作を説明する。腰部補助装置の上体支持部２０へ腕を通し、関節部４５ａを腰の関節部へ位置決めして腰ベルト３２ａを締め、次いで肩ベルト２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを締め付けるのは他の実施例と同じである。腰部補助装置を装着し終えた利用者が荷物を持ち上げるために前屈して行くと、背中装着部１０が前傾し上体支持部２０が上方へスライド移動するとともに、前傾しその角度が増してゆく動作をすることは第１、第２の実施例と同じである。なおこの時、ＤＣモータ５６ａの電源はオフ状態とされる。これにより、背中フレーム１１はスムーズに前傾することができる。

そして、利用者が荷物を持ち上げるタイミングでＤＣモータ５６ａの電源をオンする。するとＤＣモータ５６ａは回転を始める。ＤＣモータ５６ａの出力軸が回転をしようとするが、モータの出力軸に固定された下肢フレーム４１ａはその下端部で利用者の下肢で大腿パッド４２によって回転を規制されているため、ＤＣモータ５６ａは回転できず、モータ本体が回転軸の回転方向と逆方向へ回転を始める。このＤＣモータ５６ａの回転はモータの取付ベースである腰部サイド部材１３ａの回転を伴って行われる。すなわち、下肢フレーム４１ａに作用するＤＣモータ５６ａの起動トルクの反作用トルクが背中フレーム１１の腰部サイド部材１３ａへ作用する。これによって背中フレーム１１がモータ本体と同方向へ、つまり起き上がり方向へ回転する。この背中フレーム１１の回転は上体支持部２０へ伝達され、利用者の操作力を軽減する。そして、利用者が荷物を持ち上げ終わったら、ＤＣモータ５６ａの電源は利用者によってオフされる。

この第３の実施例によっても利用者の操作力軽減を図ることが可能である。しかし、着用型としての機能を維持することが可能である軽量なモータの出力トルクは、第１の実施例における流体圧式アクチュエータにより得られるトルクに比較してかなり小さい。このトルクの小ささは左右両方の関節部へモータを設けることでも補いきれないと考えられる。したがって、ＤＣモータ直接駆動型腰部補助装置は小容量の腰部補助装置へ、また流体圧式アクチュエータ駆動型腰部補助装置は大容量の腰部補助装置へ適用するというように棲み分けが行われることが必要である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその要旨を変更しない範囲で変形することが可能である。例えば、本発明の実施例では、上体支持部の位置調整機構と前傾角度調整機構を個別の機構として設けたが、これらを単一の機構で構成して２つの機能を持たせるようにしても良い。このような機構として、溝カムを背中フレーム側に設け、上体支持部へ４個のカムフォロワーを付け、これらのカムフォロワーを溝カムに沿って移動するようなものが挙げられる。また、上記第１の実施例では利用者等の安全性を優先して流体圧式アクチュエータを背中フレーム部材の内部へ収納しているが、保守点検性を優先するのであれば外部へ露出させても良い。また、流体圧式アクチュエータは上記第１の実施例では左右の背中フレーム部材へ１本ずつ組み込む例を示したが、複数本ずつ組み込んでも良い。また下肢装着部の大腿パッドは大腿下部の前面を覆うような物としたが、大腿パッドに弾性部材から成る大腿後部押さえを設けても良い。後部押さえを設けることで下肢フレームと大腿の位置ずれが抑制され、下肢装着部の装着安定性を増すことができる。

本発明に係る腰部補助装置は、いわゆる着用型ロボットの一形態であり、将来の成長産業と期待されるものであり、作業者の腰に過重な負担をもたらす種々の作業が必要とされる産業分野、例えば製造業の組立現場、訪問介護の入浴サービス、運送業、農業等における作業従事者によって操作性の良い改良型装置の提供が待ち望まれている。

１０…背中装着部
１１…背中フレーム
２０…上体支持部
２１…背中支持板
２２Ａ，２２Ｂ…肩ベルト
３０…腰部装着部
３２…腰ベルト
４０…下肢装着部
４１…下肢フレーム
４２…大腿パッド
４５…関節部
５０…駆動機構
５１Ａ，５１Ｂ…流体圧式アクチュエータ
５２…アイドルプーリ
５３Ａ，５３Ｂ…プーリ
５５Ａ，５５Ｂ…ワイヤ
５６，５６ａ…ＤＣモータ
６０…連結部
６１…取付金具
６２…スライド軸
６３…スライド金具
６４…スライド軸受
６５…回転軸
６６…連結具

Claims

利用者の背部に装着される背中装着部と、この背中装着部に取付け部を介して連結され、ベルトを介して利用者の上体を支持する上体支持部と、利用者の下肢に装着され回転を規制される下肢装着部と、前記背中装着部と前記下肢装着部とを利用者の前屈動作に対応する方向へ回転可能に連結する関節部と、この関節部を人体の腰部側方へ固定する腰部装着部と、作動状態において前屈した利用者の上体を起こすような力を前記背中装着部と前記下肢装着部との間に作用させる駆動機構を備えた腰部補助装置において、前記取付け部は、前記背中装着部に設けられた上下方向ガイド部材と、このガイド部材へ係合され前記上下方向への移動と左右方向への旋回をする移動部材と、一端が前記上体支持部へ結合されるとともに他端が前記移動部材へ係合され前傾角度が変化する連結具とから成ることを特徴とする腰部補助装置。
前記駆動部は、前記背中装着部と前記下肢装着部との間に設けられ、空気を給排することで径と長さが変化する空気圧式アクチュエータを駆動源として含み、この空気圧式アクチュエータへの給気により発生した力を、回転を規制された前記下肢装着部へ作用する力の反力として前記背中装着部に作用させ、前屈状態にある利用者の上体を起こすように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の腰部補助装置。
前記駆動部は、前記背中装着部の関節部分を取付けベース部材として固定されたＤＣモータを駆動源として有し、このＤＣモータの出力軸に、前記下肢装着部のフレーム部材が回転体として固着されるとともに前記腰部装着部のフレーム部材が回転可能に取り付けられ、前記ＤＣモータの電源がオンした時に、前記下肢装着部の回転が規制されていることから前記ＤＣモニタ本体と前記背中装着部が共に回転し、前屈状態にある利用者の上体を起こすように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の腰部補助装置。