JP6483081B2 - 外骨格のための非人間型股関節位置 - Google Patents

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関連出願の相互参照
[0001]本願は、２０１４年３月１４日に出願され「Ｎｏｎ−Ａｎｔｈｒｏｐｏｍｏｒｐｈｉｃ Ｈｉｐ Ｊｏｉｎｔ Ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓ」と題された米国特許仮出願第６１／７８１，３７６号の利益を主張するものである。

[0002]本発明は、ある程度の力を必要とする作業の実行中に使用者の力を増大させかつ負傷防止に役立つデバイスおよび方法に関する。より詳細には、本発明は、重いツールの使用または重量支持作業に従事する人による使用に適したデバイスに関し、このデバイスは、装着者の腕におけるより大きな力および持久力を含むがこれに限定されない活動するための人の付属肢の機能の向上を促進する義肢のセットならびに関連する制御システムを含むか、または、歩行中に装着者によってより多くの重量が運ばれることを可能にする。

[0003]装着型外骨格は、医療用途、商業用途、および軍事用途のために設計されてきた。医療用外骨格は、使用者の可動性を回復させるのを支援するように設計される。商業用および軍事用の外骨格は、負傷を防止することおよび使用者の力を増大させることに役立つ。商業用外骨格は、作業者の作業中に作業者によって支持される荷重を軽減し、それにより作業者の負傷を防止しかつ作業者の持久力および力を増大させるために使用される。

[0004]最初の試験は、ツールの重量を支持するツール保持アームが装備された外骨格を使用して行われた。これらのデバイスは、ツール保持支援を提供することにより使用者の疲労を軽減する。ツール保持アームは、ツールを保持するのに必要とされる垂直方向の力を、使用者の腕を通じてではなく外骨格の脚部を通じて伝達する。この外骨格の使用に関する１つの問題は、外骨格の脚部の前でツールが保持されることである。これは、使用者によって抵抗されなければならない外骨格股関節まわりの前方向下降トルクを生成する。使用者は、使用者の身体に不要な荷重をかけるこの前方向トルクを相殺するために、過度に背中を反らす傾向がある。

[0005]この使用者の身体にかかる荷重を軽減するためには、股関節において反対に作用するトルクが印加されなければならない。このトルクを生成するためにばねを使用すると、遊脚期においてあまりにも大きなトルクが生成されることになる（ばねが外されうる場合は別であり、また、そのような機構は一般に重くかつ複雑である）。このことは、動力付き股関節を用いて回避することができるが、そのような設計は、立脚中に一定の消費電力を必要とし、それにより重い電池が必要になり、利点を無効にする。動力付きでない腰部を有する外骨格の場合、ツールの重量を打ち消して使用者が感じる荷重を最小限に抑えるのに必要とされるトルクを提供するために、使用者の背後に重りが取り付けられなければならない。重りおよびモーメントアームの範囲で逆トルクが生成されうる：より軽い重りほどより長いモーメントアームを必要とし、より重い重りほどより短いモーメントアームを必要とする。しかし、釣合い重りが重くなるほど、外骨格はより重くなって移動しにくくなり、一方でモーメントアームが長くなるほど、狭いことがしばしばである作業環境での操縦性が低下するので、上記のことは望ましくない。

[0006]少なくともこれらの理由から、ツール保持アームを有する外骨格における前方向腰部トルクの減少を可能にするデバイスおよび方法の開発が必要とされている。

[0007]本発明の一目的は、ツール保持外骨格の股関節における前方向トルクの減少をもたらす新規なデバイスおよび方法を提供することである。

[0008]本発明のさらなる目的は、バックパックの荷重を支持するために外骨格が使用される場合のように、荷重が使用者の背後に位置する外骨格の股関節における後方向トルクの減少をもたらす新規なデバイスおよび方法を提供することである。

[0009]本発明のさらなる目的は、外骨格の腰部における前方向または後方向のトルクを調節可能な方法で減少させることを可能にし、それにより外骨格装着者または外骨格制御システムに様々な作業の動きに必要とされるまたは望まれるように外骨格の股関節における前方向または後方向のトルクの選択的な減少を可能にする、新規なデバイスおよび方法を提供することである。

[0010]本明細書において開示される発明は、矢状面における外骨格重量配分に関して外骨格の股関節の位置を修正することにより外骨格の股関節における前方向または後方向のトルクを減少させる、デバイスおよび方法を含む。外骨格腰部位置に対するこれらの修正は、外骨格システムが、減少した外骨格装着者腰部トルク入力、減少した外骨格腰部作動装置トルク入力、より大きなツール重量、より大きな負荷重量、減少した後部釣合い重り質量、より短いモーメントアーム、またはこれらのパラメータの幾つかの組合せを含むがこれらに限定されない種々の他の外骨格パラメータにシフトすることができるように、現在の外骨格技術を増強する。

[0011]本発明の主要な実施形態は、外骨格腰部ピボットを外骨格装着者の腰部ピボットに対して矢状面において前方にずらす機械的設計による外骨格デバイスを含む。ツール保持外骨格の適用に対して、この機械的設計は、ツールを所定の位置に保持するのに必要とされる逆トルクを減少させる。

[0012]本発明の第２の実施形態が、外骨格腰部ピボットを外骨格装着者の腰部ピボットに対して矢状面において後方にずらす機械的設計による外骨格デバイスを含む。バックパック荷重支持外骨格の適用に対して、この機械的設計は、負荷を所定の位置に保持するのに必要とされる逆トルクを減少させる。

[0013]本発明の第３の実施形態が、外骨格腰部ピボット位置を外骨格装着者の腰部ピボットの位置に対して矢状面において調節可能に変更する機械的設計による外骨格デバイスを含む。このデバイスは、外骨格制御システムによって自動的に作動されるか、または外骨格装着者によって手動で調節されることができるが、変化する荷重状態または作動状態を補償するために、差別的な腰部配置を可能にする。ツール保持外骨格の適用に対して、この機械的設計は、腰部ピボットを前方に移動させることにより、立脚中にツールを所定の位置に保持するのに必要とされる逆トルクを減少させ、また、腰部ピボットを後方に移動させることにより、歩行中または操縦中の外骨格の可動性を高める。

[0014]本発明のさらなる目的、特徴、および利点は、図面と併せることにより、本発明の特定の実施形態に関する以下の説明からより十分に明らかになるであろう。

[0015]図１ａは、従来技術による、その頭上にツールを保持している作業者の正面図である。[0016]図１ｂは、本発明による、その頭上にツールを保持しているときの、ツール保持外骨格を装着した作業者の正面図である。 [0017]ツール保持外骨格を装着した作業者の側面概略図である。 [0018]前方に移動された腰部を有するツール保持外骨格を装着した作業者の側面概略図を示す、第１の実施形態を表す図である。 [0019]ツール、釣合い重り、および地面によって及ぼされる力、ならびに下方向の力と外骨格装着者の腰部との間の距離を示す、ツール保持外骨格を装着している作業者の側面概略図である。 [0020]ツール、釣合い重り、および地面によって及ぼされる力、ならびに外骨格装着者の腰部に対するこれらの垂直方向の力と外骨格の腰部との間の距離を示す、前方に移動された腰部を有するツール保持外骨格を装着した作業者の側面概略図を示す、第１の実施形態の図である。 [0021]図２ｃおよび２ｄに示されるような種々の腰部ピボット位置に必要とされる計算された釣合い重りの距離および重量を示すプロット図である。 [0022]図３ａは、外骨格の腰部が外骨格装着者の腰部に対して後方に移動されている、荷重支持バックパックを有する外骨格を着用した人の側面図を示す、第２の実施形態を表す図である。[0023]図３ｂは、外骨格の腰部が外骨格装着者の腰部に対して後方に移動されている、荷重支持バックパックを有する外骨格を着用した人の側面図を示す、第２の実施形態を表す図であり、バックパックおよび地面によって及ぼされる力、ならびにバックパックの下方向の力と外骨格装着者の腰部との間の距離、ならびに外骨格の腰部から外骨格装着者の腰部までのオフセットを示す図である。 [0024]図４ａは、調節可能な外骨格腰部が前方位置で示されている、調節可能な外骨格腰部位置決め手段を有するツール保持外骨格を装着した作業者の側面概略図を示す、第３の実施形態を表す図である。[0025]図４ｂは、調節可能な外骨格腰部が後方位置で示されている、調節可能な外骨格腰部位置決め手段を有するツール保持外骨格を装着した作業者の側面概略図を示す、第３の実施形態を表す図である。

[0026]本発明は、ある程度の力を必要とする作業の実行中に使用者の力を増大させかつ負傷防止に役立つ動力装具デバイスに関連して使用される。より具体的には、本発明は、重いツールの使用または重量支持作業に従事する人による使用に適したデバイスおよび方法に関し、このデバイスおよび方法は、装着者の腕におけるより大きな力および持久力、または歩行中に運ばれるべきより多くの重量を含むがこれらに限定されない活動するための付属肢の機能の向上を促進する、装具の電動式システムならびに関連する制御システムを含む。

[0027]図１ａの知られた構成に示されるように、作業者１００が、支持表面１５１（明瞭にするために他の図では一般に省略される）上に立って作業を行っている間、その頭上に重いツール１０２（この図では重い研磨機として示される）を保持する。重いツール１０２の重量は、この作業過程中は完全に作業者１００によって支持される。図１ｂは、本発明による外骨格１０３を装着した作業者１０１を示し、外骨格１０３は、人−外骨格ストラップ１０５により作業者１０１の胴部１０４に取り付けられている。商業用外骨格１０３は、重いツール１０２の重量を支持するツール保持アーム１０６を備える。図１ｂに示された作業過程中、ツール保持アーム１０６は、重いツール１０２の重量の一部または全てを外骨格１０３に伝達させてこの重量を支持し、外骨格１０３は、使用者の下肢に結合されかつ立脚期中は支持表面上に置かれるように構成された外骨格脚部１０７によって支持される。腰部より下方の外骨格脚部の詳細設計は本発明の目的ではなく、また、本発明の目的は外骨格脚部の設計の範囲にわたって適用されるので、脚部の設計はこれ以上詳述されない。このようにして、外骨格１０３は、重いツール１０２の重量を支持して、作業者１０１があまり疲労せずにはるかに長時間にわたってこの作業を行うことを可能にし、結果として、図１ａにおける作業者１００と比較して、作業者の生産性を高め、また、作業者が負傷する危険性を低下させる。

[0028]上記のようなツールの重量を支持するツール保持アームが装備された外骨格を使用して、試験を行った。このデバイスは、ツールを保持するのに必要とされる垂直方向の力をツール保持アームが使用者の腕を通じてではなく外骨格の脚部を通じて伝達するツール保持支援を提供することにより、使用者の疲労を軽減させた。この適用法に関する１つの問題は、外骨格の脚部の前でツールが保持されることである。これは、外骨格装着者によって抵抗されなければならない外骨格股関節まわりの前方向下降トルクを生成する。装着者は、装着者の身体に不要な荷重をかけるこの前方トルクを相殺するために、過度に背中を反らす傾向がある。この着用者の身体にかかる荷重を減少させるためには、外骨格股関節において反対に作用するトルクが印加されなければならない。これは作動装置付き外骨格股関節によって行うことができるが、そのような設計は、立脚中に一定の消費電力を必要とする。作動装置付きでない腰部を有する外骨格の場合、ツールの重量を打ち消して使用者が感じる荷重を最小限に抑えるのに必要とされるトルクを提供するために、使用者の背後に重りが取り付けられなければならない。重りおよびモーメントアームの範囲で逆トルクが生成されうる：より軽い重りほどより長いモーメントアームを必要とし、より重い重りほどより短いモーメントアームを必要とする。しかし、釣合い重りが重くなるほど、外骨格はより重くなって移動しにくくなり、また、モーメントアームが長くなるほど、狭いことがしばしばである作業環境での操縦性が低下するので、上記のことは望ましくない。

[0029]本発明の主要な実施形態は、外骨格腰部ピボットを外骨格着用者の腰部ピボットに対して矢状面において前方にずらす機械的設計による外骨格デバイスを含む。ツール保持外骨格の適用に対して、この機械的設計は、ツールを所定の位置に保持するのに必要とされる逆トルクを減少させる。

[0030]従来の外骨格腰部ピボットは、使用者の可動域を制限しないように、また、外骨格と使用者との間の相対運動を最小限に抑えるように、使用者の腰部にできるだけ近接して一致させる。しかし、腰部の広い可動域が頻繁には必要とされない用途では、この原則を破ることが許容されることが分かっている。１つのそのような用途は、使用者がほとんどの時間立っていて、使用者と外骨格との間の相対運動を生じさせるのに十分な大きさの可動域にわたって使用者が腰部を動かすのがまれである、ツール保持外骨格である。この見識により、外骨格腰部ピボット位置は、用途によりよく適合するように再配置された。外骨格の腰部ピボットを使用者の腰部ピボットの前に移動することにより、ツールの平衡を保つのに必要とされる釣合い重りが減少される。矢状面において使用者の腰部ピボットに似た位置に設置された腰部ピボットを持つ外骨格の例、および、使用者の腰部ピボットに対して前方に設置された腰部ピボットを持つ外骨格の例が、図２ａおよび２ｂ、ならびに図２ｃおよび２ｄにそれぞれ示される。

[0031]より具体的には、図２ａを参照すると、作業者１０１が、人−外骨格ストラップ１０５により作業者１０１の胴部１０４に取り付けられた商業用外骨格１０３を装着している。商業用外骨格１０３は、ツール保持アーム１０６を備える。ツール保持アーム１０６の重量は、外骨格脚部１０７によって支持された商業用外骨格１０３に伝達され、外骨格脚部１０７は、腰部ピボット１０９により外骨格１０３に連結されている。ツール保持アーム１０６の重量は、外骨格１０３の平衡を前方に移動させて腰部ピボット１０９に前方向トルクを加えるので、外骨格１０３は、腰部ピボット１０９に加えられる前方向トルクを打ち消すために、腰部ピボット１０９に後方向トルクを加える釣合い重り１０８を備える。

[0032]図２ｂを参照すると、作業者１１１が、人−外骨格ストラップ１１５により作業者１１１の胴部１１４に取り付けられた商業用外骨格１１３を装着している。外骨格１１３は、ツール保持アーム１１６を備える。ツール保持アーム１１６の重量は、外骨格脚部１１７によって支持された外骨格１１３に伝達され、外骨格脚部１１７は、前方に移動された腰部ピボット１１９により外骨格１１３に連結されている。矢印１５０は、本願において一般に「前方」と呼ばれる矢状面における前方方向を示す。ツール保持アーム１１６の重量が外骨格１１３の平衡を前方に移動させて腰部ピボット１１９に前方向トルクを加えるので、外骨格１１３は、前方に移動された腰部ピボット１１９に加えられる前方向トルクを打ち消すために、前方に移動された腰部ピボット１１９に後方向トルクを加える釣合い重り１１８を備える。

[0033]図２ｃを参照すると、作業者１０１が、作業者１０１および外骨格１０３の両方の腰部ピボットを矢状面において同一場所に配置した状態で、商業用外骨格１０３を装着している。ツールアーム重量および負荷に起因する外骨格１０３の腰部ピボット１０９まわりのトルクは、力１２１および梃子の腕１２２によって作られる。作業者１０１は通常、その手で負荷を安定化させる代わりに、無視できるほどの力を負荷に加えていることが、試験から分かった；したがって、作業者らは負荷またはツールアームに少しも力を加えていないと見なすのが妥当である。釣合い重りのトルクもまた、外骨格１０３の腰部ピボット１０９のまわりで作用する。釣合い重りのトルクは、梃子の腕１２５にわたって動作する釣合い重り１０８にかかる重力に起因する力１２４によって作られる。脚部１０７の反力１２６が、腰部ピボット１０９において作用する。釣合い重り１０８が、所与の梃子の腕１２２における所与の負荷の平衡を完全に保つように選択されるならば、静的釣合いは次のように書くことができる：
（１） Ｆ_１２１×Ｌ_１２２＝Ｆ_１２４×Ｌ_１２５
式中、Ｆ_ｘｘｘは力ｘｘｘを示し、Ｌ_ｙｙｙは梃子の腕長さｙｙｙを示す。

[0034]図２ｄを参照すると、作業者１１１が、作業者１１１の腰部ピボットを作業者腰部ピボット１３３の位置に配置し、外骨格１１３の腰部ピボット１１９を距離１３７だけ作業者腰部ピボット１３３の前方に配置した状態で、商業用外骨格１１３を装着している。ツールアーム重量に起因する外骨格１１３の腰部ピボット１１９まわりのトルクは、力１３１と、距離１３７を差し引いた梃子の腕１３２とによって作られる。外骨格１０３の腰部ピボット１１９まわりの釣合い重りトルクもまた、釣合い重り１１８にかかる重力に起因する力１３４と、距離１３７を加えた梃子の腕１３５とによって作られる。脚部１１７の反力１２３が、作業者腰部ピボット１３３から腰部オフセット距離１３７だけオフセットした外骨格１０３の腰部ピボット１１９において作用する。釣合い重り１２４が、所与の梃子の腕１２２における所与の負荷の平衡を完全に保つように選択されるならば、静的釣合いは次のように書くことができる：
（２） Ｆ_１３１×（Ｌ_１３２−Ｌ_１３７）＝Ｆ_１３４×（Ｌ_１３５＋Ｌ_１３７）
式中、Ｆ_ｘｘｘは力ｘｘｘを示し、Ｌ_ｙｙｙは梃子の腕長さｙｙｙを示す。

[0035]ツールアームの構成が全体的に図２ｃと同様である場合、即ち、Ｆ_１３１＝Ｆ_１２１、Ｌ_１３２＝Ｌ_１２２、Ｌ_１２５＝Ｌ_１３５である場合、Ｆ_１３４は大幅に減少され、また、釣合い重り１２４の質量も大幅に減少されることが可能であり、それにより、外骨格の全体重量、および外骨格脚部１１７に加えられる力の両方が減少される。または、設計に応じて、釣合い重りの梃子の腕１３５の長さは大幅に減少されて、商業用外骨格１１３をより操作しやすくしうる。いくつかの実施形態では、設計の目標に応じて、釣合い重りの質量および釣合い重りの梃子の腕の長さはどちらも多少減少されうる。

[0036]上記に説明されたように、また、図２ａ、２ｂ、２ｃ、および２ｄに示されるように、外骨格を装着した人の腰部ピボットに対する矢状面における外骨格腰部ピボット位置の前方移動は、ツール重量の結果として前方向腰部トルクが減少したツール保持外骨格をもたらす。例えば、腰部ピボットがツールと同じくらい前方に移動された場合、釣合い重りは必要とされなくなるはずであるが、ほとんどの実施形態において、このことは、たとえ小さい可動域にわたるとしても、外骨格と外骨格装着者との間に実際的でない量の相対運動をもたらすであろう。腰部ピボットの位置は、所与の作業に十分な外骨格装着者の適応性を維持するように、また、許容可能な釣合い重りトルクを必要としながらも外骨格装着者の身体とデバイスとの間の相対運動を制御するように、選択される。

[0037]腰部ピボットを前方に移動させることで、外骨格腰部ピボットからツールまでの距離を腰部オフセットの量（図２ｄにおける腰部オフセット１３７）だけ減少させることにより、必要とされる釣合い重りトルクは減少される。ツール重量により使用者にかかるトルクは減少され、それにより、外骨格使用者にかかる荷重を増大させることなしに釣合い重りトルクを減少させることが可能になる。釣合い重りトルクは、重りと使用者との間の距離を短縮するか使用される質量を減少させることにより、減少されうる。図２ｅは、様々な腰部ピボット位置に関する釣合い重り距離と釣合い重り質量との関係を示す。このプロット図では、ツールの重量は１１．３４０ｋｇ（２５ポンド）であり、ツールを位置決めするアームの重量は６．３５０ｋｇ（１４ポンド）であるが、分析は一般に有効である。白丸記号付きの線１４１は、腰部ピボットを使用者の腰部ピボットに一致させて設計された外骨格に関する重量対距離の関係を表し、ｙ−軸１４５は、外骨格装着者から釣合い重りまでの距離を表し、ｘ軸１４６は、釣合い重りの重量を表す。腰部オフセットが増大されるにつれて、曲線は、必要とされる重量および距離がより少なくなる方へ移行する；白三角記号付きの線１４２により２．５４ｃｍ（１インチ）の腰部オフセットを持つ外骨格が示され、白逆三角記号付きの線１４３により５．０８ｃｍ（２インチ）の腰部オフセットを持つ外骨格が示され、白四角記号付きの線１４４により７．６２ｃｍ（３インチ）の腰部オフセットを持つ外骨格が示される。外骨格使用者から釣合い重りまで一定の距離が与えられている場合、必要とされる釣合い重りの量は、腰部ピボットオフセット距離が増大するにつれて減少する。同様に、一定の釣合い重りの量が与えられている場合、必要とされる外骨格使用者から釣合い重りまでの距離は、腰部ピボットオフセット距離が増大するにつれて減少する。図２ｅには黒丸記号が付けられた線１４８も示されており、この線１４８は、釣合い重りの重量がｘ−軸１４６に沿って増大するにつれて増大する、ｙ−軸１４７上の外骨格脚部によって支持される垂直方向成分力を記す。

[0038]特定のツール保持作業のために設計された外骨格は、この前方に取り付けられた腰部ピボットの設計による大きな恩恵を受けることができる。前方に取り付けられた腰部ピボットは、釣合い重りが使用者から突き出る距離を減少させることにより、使用者の可動性を高める。限られた空間では、使用者のサイズに対するいかなる増大も望ましくない。他の便益には、釣合い重りの質量が減少され、それによりデバイスでの歩行中の使用者の疲労が軽減されるということが含まれる。動力付き腰部を含む外骨格の場合、前方に取り付けられた腰部ピボットは、結果として外骨格腰部作動装置トルク入力の減少に起因する消費電力の減少をもたらす。

[0039]主要な実施形態の１つの実例では、限られた空間内での使用のためにツール保持外骨格が設計されている場合、所与の釣合い重り重量において、外骨格使用者からの釣合い重りの距離は減少されうる。図２ｅに示されたプロットに基づくと、１２．４７４ｋｇ（２７．５ポンド）の釣合い重りを含み腰部オフセットを含まない外骨格は、外骨格装着者から釣合い重りまで３８．１ｃｍ（１５インチ）の距離を必要とするが、同じ１２．４７４ｋｇ（２７．５ポンド）の釣合い重りを含むが７．６２ｃｍ（３インチ）の腰部オフセットを持つ外骨格は、外骨格装着者から釣合い重りまで２０．３２ｃｍ（８インチ）の距離しか必要としないはずである。このより短い釣合い重り距離は、限られた空間において外骨格を操縦するのにかなりの利点となるはずである。

[0040]本発明の第２の実施形態は、外骨格腰部ピボットを外骨格装着者の腰部ピボットに対して矢状面において後方にずらす機械的設計を含む外骨格デバイスから成る。バックパック荷重支持外骨格の適用に対して、この機械的設計は、負荷が使用者の前に位置する場合には腰部ピボットが使用者の前に配置されるべきであるのと同じ理由から、負荷を所定の位置に保持するのに必要とされる逆トルクを減少させる：使用者は、外骨格が受け入れている負荷の質量中心の近くに外骨格ピボットが配置されるときに、より直立した位置を採用することが可能になる。この種の外骨格のための非人間型腰部位置は、人間における股関節の性質に関する見識に基づく：股関節は一般に、腰部まわりでトルクが必要とされないように、股関節が支持している負荷の質量中心に合わせて配置される。先の実施形態と同様に、腰部ピボットを直接に負荷に合わせて配置するのが実際的でないとされうる場合、有益な効果を有するためには、単に腰部ピボットを実際的に実行可能な位置に近づけるだけで十分である。重要なのは、これらの実施形態では、人の重量は外骨格を使わずに地面に伝達される、すなわち、外骨格は外骨格腰部ピボットを通じて人の体重を支持していないことに留意することである。しかし、その人の体重が外骨格に伝達され外骨格腰部ピボットを通じて伝達されるように人が外骨格の胴体部にしっかりと連結されている場合、理想的な外骨格ピボット位置は、外骨格胴部、人の胴部、および負荷の結合した質量中心になるであろう。後方に移動された腰部を含む荷重支持外骨格の画像が、図３ａおよび３ｂに示される。

[0041]図３ａおよび３ｂを参照すると、作業者３１０が、人−外骨格ストラップ３０５により作業者３０１の胴部３０４に取り付けられた商業用外骨格３０２を装着している。商業用外骨格３０２は、荷重支持バックパック３０３と、後方に移動された腰部ピボット３０６のまわりにトルクを生成するように構成された腰部作動装置３１３とを備える。後方に移動された腰部ピボットは、作業者３０１の腰部ピボットから距離３０９だけ後方に移動されている。荷重支持バックパック３０３の重量は、外骨格脚部３０７によって支持された商業用外骨格３０２に伝達され、外骨格脚部３０７は、後方に移動された腰部ピボット３０６により外骨格３０２に連結されている。

[0042]図３ａおよび３ｂをさらに参照すると、作業者３０１は、作業者３０１の腰部ピボットを矢状面において破線３１０の位置に配置し、かつ、商業用外骨格３０２の腰部ピボットを矢状面において距離３０９だけ破線３１０の後方に配置した状態で、商業用外骨格３０２を装着している。荷重支持バックパック３０３の重量に起因する腰部ピボット３０６まわりのトルクは、重力３０８に起因する力と、距離３０９を差し引いた梃子の腕３１１とによって作られる。外骨格腰部オフセット距離３０９のため、重力３０８に起因する力によって生成されるトルクを打ち消すために作動装置３１３によって供給されなければならないトルクは、減少される。このようにして、商業用外骨格３０２の後方にオフセットした腰部ピボットは、腰部作動装置の要求事項を減らす。

[0043]第２の実施形態の別の変形形態では、バックパック型荷重支持商業用外骨格が、作業者によりある距離にわたって重い物品を運ぶために使用され、また、外骨格が腰部作動手段を何も持たない（すなわち、腰部作動装置３１３がない）場合、荷重支持外骨格の股関節位置を後方に移動させることにより、人は、外骨格の荷重によって生じる後方向トルクに抵抗するときに、後方に移動された腰部を持たない類似の外骨格と比べてより少ない物理的入力／エネルギーを発揮することが可能になる。この後方に移動された腰部を有する外骨格を装着している間の作業者側の継続的な努力の減少により、作業者は、同じ重量の負荷をさらに長い距離にわたって運ぶか、もしくはより大きい重量を同じような距離にわたって運ぶか、または、疲労および負傷の恐れを減少させて同一の作業を行うことが可能になる。

[0044]いくつかの実施形態では、動力付き外骨格が、腰部ピボットのまわりに相当な正味トルクを生み出す。そのようなデバイスの実例が、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／４６８，４８７号で開示されている。このデバイスでは、あたかも外骨格上に後方荷重が存在するかのように、作動装置により腰部ピボットのまわりに同じ方向に大きなトルクが生成され、それにより外骨格は推進支援を提供する。結果として、装着者は、外骨格の胴部から装着者の胴部に伝達されるトルクの平衡を保つために前傾しなければならない；外骨格からのトルクは、作動装置トルクと外骨格の前または後ろにある任意の荷重との組合せである。典型的な荷重状態および作動装置トルクが知られている場合、本発明によれば、腰部ピボットを標準的な人間に似た位置から適切な距離に移動させることにより、腰部ピボットまわりの荷重の平衡を保つことが可能である。通常、この実施形態では、外骨格の前面の荷重がかなりの大きさでない限り、ピボットは後方に移動するはずである。

[0045]本発明の第３の実施形態は、矢状面における外骨格腰部ピボット位置を外骨格装着者の腰部ピボットの位置に対して調節可能に変更する機械的設計を含む外骨格デバイスからなる。このデバイスは、外骨格制御システムによって自動的に作動されるか、または外骨格装着者によって手動で調節されることができるが、変化する荷重状態または作動状態を補償するために、差別的な腰部配置を可能にする。ツール保持外骨格の適用に対して、この機械的設計は、腰部ピボットを前方に移動させることにより、立脚中にツールを所定の位置に保持するのに必要とされる逆トルクを減少させ、また、腰部ピボットを後方に移動させることにより、歩行中または操縦中の外骨格の可動性を高める。そのような外骨格デバイスが、図４ａおよび４ｂに示される。

[0046]図４ａを参照すると、作業者４０１が、人−外骨格ストラップ４０４により作業者４０１の胴部４０３に取り付けられた商業用外骨格４０２を装着している。商業用外骨格４０２は、ツール保持アーム４０５および釣合い重り４００を備える。ツール保持アームおよび負荷４０５の重量は、外骨格脚部４０９に支持された商業用外骨格４０２に伝達され、外骨格脚部４０９は、調節可能な腰部ピボット４０７により外骨格４０２に連結されている。ツール保持アーム４０５および負荷４０６の重量が外骨格４０２の平衡を前方に移動させるため、調節可能な腰部ピボット４０７は、釣合い重り４００ならびにアーム４０５および負荷４１５によって生成されるトルクの平衡を保つために、前方の調節可能腰部ピボット位置４０８に移動される。

[0047]いくつかの実施形態では、外骨格は、電子制御システムを使用して調節装置４０６を自動的に移動させることができるが、他の実施形態では、人が手動で調節デバイス４０６を移動させることができる。いくつかの実施形態では、ピボットは、不連続の位置を有することができるが、他の実施形態では、位置は連続的に調節可能とされる場合がある。

[0048]図４ｂを参照すると、作業者４０１が、人−外骨格ストラップ４０４により作業者４０１の胴部４０３に取り付けられた商業用外骨格４０２を装着している。商業用外骨格４０２は、ツール保持アーム４０５を備えるが、負荷は含まない。ツール保持アーム４０５の重量は、外骨格脚部４０９によって支持された商業用外骨格４０２に伝達され、外骨格脚部４０９は、調節可能な腰部ピボット４０７により外骨格４０２に連結されている。負荷が全く無いことにより外骨格４０２の平衡が後方に移動されるため、調節可能な腰部ピボット４０７は、釣合い重り４００およびアーム４０５によって生成されるトルクの平衡を保つために、後方の調節可能腰部ピボット位置４１０に移動される。当然ながら、図示されていないさらなる類似の構成では、図３に示されたデバイスの腰部ピボットの位置は、本明細書において説明されたのと同じように調節可能とされて、デバイスの後部に設置された負荷に基づいて腰部位置の調節を可能とすることができる。

[0049]調節可能な腰部ピボット４０７を調節することにより、前述された式２における梃子の腕長さを、ここで変更することができる。具体的には、図２ｄおよび式２に戻り参照すると、担持されている負荷に適合するようにＬ_１３７を変更することができ、それにより負荷の平衡を保つために人が彼らの腰部にリアルタイムで加えなければならないトルクを外骨格または人が減少させることが可能になる。

[0050]本発明の好ましい実施形態に関して説明されたが、本発明の精神から逸脱することなく、様々な変更および／または修正がなされうることが理解されるべきである。外骨格装着者の腰部に対する外骨格腰部ピボットオフセットを変更する方法が多数存在しうることは確実である。例えば、外骨格の骨盤部分は、装着者がねじに連結されたハンドルを回すことにより手動で骨盤の深さを調節する（すなわち、デバイスの後部から腰部ピボットまでの距離を変更する）ことを可能にする、ねじ機構を有することができる。あるいは、デバイスは、ねじに連結されたモータに動力を供給することにより、この位置を自動的に調節することができる。非常に単純な実施形態では、外骨格および使用者の腰部ピボット間の相対距離がパッドの厚さに基づいて変更されるように、使用者の胴部と外骨格の後部との間に様々な厚さのパッドが設置されうる。

[0051]この第３の実施形態の１つの実例では、作業者が、調節可能な腰部ピボット位置決め手段を有するツール保持外骨格を装着している。作業者が長時間にわたって重いツールを操作している間、外骨格腰部ピボットは、外骨格の腰部ピボットにおける前方トルクを減少させるために、作業者の腰部に対して前方位置にある。作業者がこのツールを使用する作業を終えると、作業者はモータを従事させるスイッチを入れ、モータは、調節可能な腰部ピボットを作業者の腰部に一致させた位置へと後方に変更する。この一致させた位置にある外骨格腰部ピボットにより、作業者はより容易に外骨格を操縦しかつ外骨格で歩行することができ、それにより、ツールの使用が必要とされる次の場所にツール保持外骨格の位置を変えることが可能になる。作業が必要とされる新規の場所に作業者が到達すると、作業者は再びスイッチを入れ、外骨格腰部ピボットを前方位置、外骨格の平衡の観点からツールの延長使用に最も適した位置に調節するモータを従事させる。

[0052]他の実施形態では、矢状面において外骨格装着者の腰部の前方または後方の両方に移動されうる調節可能な外骨格腰部を有することが有益でありうる。これは、前方向または後方向のトルクの減少を可能にするはずであり、また、動力付き腰部を有する可能性が高いであろう、フォークリフトのような重い物品の積付け、取降ろし、再配置、または積込みの作業を行う外骨格などの、非常に重い前面の負荷を一時的に持ち上げるように設計された外骨格にとって有益でありうる。これらの外骨格は、前面での持ち上げまたは負荷の担持が行われている間に前方腰部トルクをオフセットさせるために、非常に重い後部釣合い重りが取り付けられる可能性が高いであろうし、外骨格の前面に載荷されていないときにはかなりの後方向トルクを受けるはずである。前面に載荷されているときの外骨格腰部ピボットの前方調節、および、載荷されていないときの外骨格腰部ピボットの後方調節は、腰部トルクおよび腰部トルクを打ち消すための対応する外骨格作動装置の所要電力の減少に有益であるはずである。いかなる場合においても、外骨格腰部ピボットは、胴と脚部支持との間のある程度の角度範囲にわたっては、使用者の腰部ピボットと一致させることがない。

[0053]他の実施形態では、腰部ピボットが多軸であることが望ましくありうる。多軸継手とは、入力リンクと出力リンクとの間の角度が移動するにつれて継手中心が移動する継手である。当技術分野でよく理解されている単純な例が、４棒リンク機構である。上述の第１の実施形態において望ましいとされるように、外骨格装着者が真立しているときには、腰部ピボットが一般に外骨格の前に位置するように、しかし、人が座るまたは屈むときのように、腰部の角度が非常に大きくなるときには腰部ピボットが後方に移動して一般に人間に似た位置に向かうように、４棒リンク機構を腰部ピボットとして設計して使用することが可能である。この実施形態は、立脚中には前方腰部ピボットを提供するが、これらの動作中には外骨格と使用者との間の動きが大きくならないように大きな逸脱中には腰部ピボットを人間に似た位置に移動させるという利点を有する。この実施形態は、動力付き外骨格および腰部ピボット位置が調節可能な外骨格を含む本明細書において開示された他の実施形態と併せて使用されうることが、理解されるべきである。多軸リンク機構の詳細は本明細書では開示されないが、当業者は、本開示に基づき、種々の最適構成を得るために腰部角度に応じて腰部ピボットを様々な位置の間で連続的に移動させる（すなわち、負荷が前に位置する外骨格では、ピボットは立脚中に前方に移動しうる；負荷が後ろに位置する外骨格では、ピボットは立脚中に後方に移動しうる）リンク機構を容易に設計することができる。

[0054]最後に、すべての実施形態において、外骨格が使用者の重量を支持できることが実現されるべきである。あるいは、すべての実施形態において、外骨格は、外骨格の用途に好まれるように、外骨格およびツールまたは負荷の重量のみを支持することもある。さらに、すべての実施形態において、外骨格は、腰部関節および膝関節を含むがこれらに限定されない１つまたは複数の作動装置付き関節を有することもある。これらの作動装置付き関節は、外骨格および外骨格装着者の推進を支援する場合もあればしない場合もある。
以上説明したように、本発明は以下の形態を有する。
［形態１］
使用者に結合されるように構成された外骨格であって、
前記使用者の下肢に結合されかつ立脚期中は支持表面上に置かれるように構成された、第１および第２の脚部支持体と、
前記使用者の上体に結合されるように構成された外骨格胴部であって、それぞれの外骨格腰部軸のまわりでの前記第１および第２の脚部支持体と前記外骨格胴体部との間の屈曲および伸張を可能にするために、それぞれの外骨格腰部ピボットにおいて前記第１および第２の脚部支持体のそれぞれに相互連結されている外骨格胴部と、を備え、前記外骨格腰部軸が前記使用者の腰部ピボットと一致していない、外骨格。
［形態２］
前記外骨格に連結された負荷をさらに備え、前記外骨格腰部軸が、前記使用者の前記腰部ピボットに対して前記外骨格に連結された前記負荷の方向に移動される、形態１に記載の外骨格。
［形態３］
前記使用者の前に前記負荷を保持するように構成されかつ前記胴部に結合されるように構成された荷重支持アームをさらに備え、前記外骨格腰部軸が、前記使用者の前記腰部ピボットの前方に移動される、形態２に記載の外骨格。
［形態４］
前記使用者の後ろに負荷を保持するように構成されかつ前記胴部に結合されるように構成された荷重支持アームをさらに備え、前記外骨格腰部軸が、前記使用者の前記腰部ピボットの後方に移動される、形態２に記載の外骨格。
［形態５］
前記外骨格腰部ピボットが前記胴部に対して可動であり、それにより、前記外骨格腰部軸を、選択的に前記使用者の前記腰部ピボットと一致させないことが可能である、形態２に記載の外骨格。
［形態６］
前記外骨格腰部軸が、前記使用者の前記腰部ピボットの前方または後方に選択的に位置決めされうる、形態５に記載の外骨格。
［形態７］
前記外骨格腰部ピボットが、前記胴部と前記脚部支持体との間のある程度の角度範囲にわたって前記使用者の前記腰部ピボットと一致しない、形態１に記載の外骨格。
［形態８］
前記外骨格腰部ピボットが多軸である、形態７に記載の外骨格。
［形態９］
人の下肢に結合されかつ立脚期中は支持表面上に置かれるように構成された第１および第２の脚部支持体と、前記人の上体に結合されかつ負荷を担持するように構成された外骨格胴部であって、それぞれの腰部軸のまわりでの前記第１および第２の脚部支持体と前記外骨格胴部との間の屈曲および伸張を可能にするためにそれぞれの外骨格腰部ピボットにおいて前記第１および第２の脚部支持体のそれぞれに相互連結されている外骨格胴部とを含む外骨格の腰部形状を制御する方法であって、
前記脚部支持体が前記支持表面上に置かれているときに、前記負荷によって前記外骨格腰部ピボットのまわりに生成されるトルクを減少させるために、前記外骨格腰部ピボットのそれぞれの位置を前記外骨格胴部に対して変化させるステップを含む、方法。
［形態１０］
前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部に対して前方に移動される、形態９に記載の方法。
［形態１１］
前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部に対して後方に移動される、形態９に記載の方法。
［形態１２］
前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部に対して自動的に移動される、形態９に記載の方法。
［形態１３］
前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部に対して手動で前方に移動される、形態９に記載の方法。
［形態１４］
前記外骨格腰部ピボットが、ある程度の角度範囲にわたって選択的に移動される状態で、前記外骨格に結合された人の腰部ピボットと一致しないように移動される、形態９に記載の方法。

Claims (14)

1. 使用者に結合されるように構成された外骨格であって、
   前記使用者の下肢に結合されかつ立脚期中は支持表面上に置かれるように構成された、第１および第２の脚部支持体と、
   前記使用者の上体に結合されるように構成された外骨格胴部であって、それぞれの外骨格腰部軸のまわりでの前記第１および第２の脚部支持体と前記外骨格胴部との間の屈曲および伸張を可能にするために、それぞれの外骨格腰部ピボットにおいて前記第１および第２の脚部支持体のそれぞれに相互連結されている外骨格胴部と、を備え、前記外骨格腰部軸が前記使用者の腰部ピボットと一致しておらず、かつ前記外骨格腰部軸が前記使用者の腰部ピボットに対して選択的に位置決めできる、外骨格。
2. 前記外骨格に連結された負荷をさらに備え、前記外骨格腰部軸が、前記使用者の前記腰部ピボットに対して前記外骨格に連結された前記負荷の方向に移動される、請求項１に記載の外骨格。
3. 前記使用者の前に前記負荷を保持するように構成されかつ前記外骨格胴部に結合されるように構成された荷重支持アームをさらに備え、前記外骨格腰部軸が、前記使用者の前記腰部ピボットの前方に移動される、請求項２に記載の外骨格。
4. 前記使用者の後ろに負荷を保持するように構成されかつ前記外骨格胴部に結合されるように構成された荷重支持アームをさらに備え、前記外骨格腰部軸が、前記使用者の前記腰部ピボットの後方に移動される、請求項２に記載の外骨格。
5. 前記外骨格腰部ピボットが前記外骨格胴部に対して可動であり、それにより、前記外骨格腰部軸を、選択的に前記使用者の前記腰部ピボットと一致させないことが可能である、請求項２に記載の外骨格。
6. 前記外骨格腰部軸が、前記使用者の前記腰部ピボットの前方または後方に選択的に位置決めされうる、請求項５に記載の外骨格。
7. 前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部と前記脚部支持体との間の角度範囲の一部にわたって前記使用者の前記腰部ピボットと一致しない、請求項１に記載の外骨格。
8. 前記外骨格腰部ピボットが多軸である、請求項７に記載の外骨格。
9. 人の下肢に結合されかつ立脚期中は支持表面上に置かれるように構成された第１および第２の脚部支持体と、前記人の上体に結合されかつ負荷を担持するように構成された外骨格胴部であって、それぞれの腰部軸のまわりでの前記第１および第２の脚部支持体と前記外骨格胴部との間の屈曲および伸張を可能にするためにそれぞれの外骨格腰部ピボットにおいて前記第１および第２の脚部支持体のそれぞれに相互連結されている外骨格胴部とを含む外骨格の腰部形状を制御する方法であって、
   前記第１および第２の脚部支持体が前記支持表面上に置かれているときに、前記負荷によって前記外骨格腰部ピボットのまわりに生成されるトルクを減少させるために、前記外骨格腰部ピボットのそれぞれの位置を前記外骨格胴部に対して変化させるステップを含む、方法。
   
10. 前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部に対して前方に移動される、請求項９に記載の方法。
11. 前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部に対して後方に移動される、請求項９に記載の方法。
12. 前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部に対して自動的に移動される、請求項９に記載の方法。
13. 前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部に対して手動で前方に移動される、請求項９に記載の方法。
14. 前記外骨格腰部ピボットが、前記外骨格胴部と前記第１および第２の脚部支持体との間の角度範囲の一部にわたって、前記外骨格に結合された人の腰部ピボットと一致しないように移動される、請求項９に記載の方法。

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