JP6555590B2 - 人体補助器具 - Google Patents

Description

本発明は人体に装着して人間がより快適に活動するための補助器具に関するものである。

人体の脊椎には上半身の体重を支える機能がある、しかし人体の構造上、上半身の体重を腰椎で支えるため腰部に負荷が集中し腰痛の原因ともなっているが腰に巻いて行動を制限する補助具はあるがより制限をうけずに日常生活で使用できる補助具が必要である。

情報通信技術、計測制御技術の進歩によりウェアラブルデバイスといわれる人体装着型の機器の開発、普及が進んでおり時計型の人体センサーを手首につけるといった用途に適した人体各部への装置装着は進んでいるが、装置間をつなげる仕組みはなく一例として音楽プレイヤーとイヤホンの接続も個別の配線で着衣の上から行うのが一般的であり、人体の神経や血管のように人体各部位へ容易に情報やエネルギーを伝達する仕組みの開発が必要である。

人体には発汗や筋肉の運動による体温の調整機能があるが苦役からの解放、省エネルギーの観点から高温下あるいは低温下における人間の活動を補助する装置が必要とされている。

特開２００６−２３３３７０空調衣服

特表２００７−５０４３７２人体の胴体のための温度調整装置

特開２０１６−５６４６７空調服用ベルト

人体の上半身の体重や人体に装着する装備や携行する荷物の重量が腰部へ集中することで生じる人体への負荷を低減する。

ウェアラブルデバイスや各種機器の人体装着時における最適配置、すなわち電源装置のような重量部位は人体の低い部位に設置し、操作部を手元に配し表示部を視認性のよい位置に自由に配置し機器の利便性を向上させるとともに重心の最適化によりより快適に活動できるようにするものである。

人体の体温調整を目的として着衣に換気装置や熱源装置を備えた着衣は開発されているが特許物件１では機能が付いた着衣であるため着衣を自由に選ぶ事ができない課題があり、着衣が内外の圧力差により膨張する性質があるため高速で移動したり狭所で活動する際には着衣が抵抗となり、また着衣に吸引、発散する気流が衣服内部や周辺環境へ影響を及ぼすため粉じん等のある空間での作業には制約を受けるといった課題があった。

特許物件２では胴体に装着して利用する冷暖房装置を有するベストであるが上半身の重量増加により人体への負荷が増大する課題があった。

特許物件３では人体の胴体腰部に装着し換気装置を備えた上着からズボン（臀部）への送風を可能としてるが装置自体には人体への負荷を低減する機能は有していなかった。

人体の体温を調整するには比較的大きなエネルギーが必要だが、熱源装置と動力源を携帯するのは不効率である。

後頭部から臀部までの人体の背面に沿って頸椎、脊椎、腰椎、臀部の各部位に装着して、人体の脊椎関節の可動範囲内で限定的に可動する構造体で頸椎部の構造体で後頭部の重量を胸部装着ベルトと脊椎部の構造体で胸部の重量を支え、腰椎部の構造体を介して臀部の構造体で上半身の重量を受け止め、臀部の構造体は腰部装着ベルトで骨盤上部に巻き付けて固定し立位においては骨盤にて上半身の重量の一部を支えることで腰椎へかかる重量を分散する。

座位においては上半身の体重を各部位の構造体を介して着座部の座面と背面に分散し腰椎にかかる重量を低減するとともに頸椎、脊椎、腰椎、臀部の構造体の連結部をボールジョイント、蝶番、弾性のある素材などで接続し、各連結部の可動範囲を限定する構造とすることで人体の背骨の関節の前後方向ならびに横方向、回転方向に加わる過度な負荷を排除する。

鞄や背嚢などを用いて荷物を運搬する際、肩部構造体、胸部構造体で荷物の荷重を受け止めることにより荷物の荷重を腰部装着ベルトと臀部構造体に分散し人体の腰関節の負担を低減する。

頸椎部、胸部と脊椎部、腰椎部、臀部の各構造体に人体装着型の各種機器を装着できる様に各部位の構造体に各種機器を連結可能なレール、ネジ穴、開口部を設ける。

頸椎部、胸部と脊椎部、腰椎部、臀部の各構造体の内部空間を利用し各種機器を接続する通信線、制御線、電源線、導圧管を収納する。

通信線、信号線、電源線、導圧管は各部構造体に設けたコネクターを介し各構造体に装着した機器を接続することで機器間の通信信号、制御信号、動力の伝達を行う。

頸椎部、胸部と脊椎部、腰椎部、臀部の各構造体内部空間を空気調和用ダクトとして利用し臀部の構造体より外気を取り入れ構造体に内蔵した電動ファンを用いて上半身の構造体内部へ送風し、頸椎、胸部、脊椎、腰椎、臀部各部位の構造体に設けた送気口より人体の表面に沿うように送風し人体を冷却する。

ファンの操作スイッチは頸椎部や腰部や胸部などの構造体の操作が容易な場所に設ける。

人体補助器具の構造体の腰部の構造体内に冷熱蓄熱材、温熱蓄熱材の収納スペースを設け蓄熱材からの放熱により冷却あるいは加熱された気体をファンにより空調用ダクトを通し構造体内部を循環させ構造体と人体の接触面を熱伝導の良い素材とし空調ダクトと外気の接触面を断熱性の高い素材とすることで熱エネルギーの損失を低減し、人体と構造体との接触面を通じ人体の冷却あるいは加熱を行う。

人体補助器具の構造体内部に電気あるいは化学反応で機能する冷暖房器具を設け構造体の表面からの熱伝導あるいは気体による熱運搬により人体の加熱あるいは冷却を行い体温を調整する。

電気ヒーターを利用する場合は空調ダクトをダンパー装置により閉鎖し、ファンを停止させ空調ダクトを外部との断熱層として利用しエネルギー損失を低減する。

空調ダクトと外部空間の間の素材は断熱性を持つ素材で構成し電気ヒーターと人体の背面の接触面は熱伝導のよい素材を用いる。

ペルチェ素子のように排熱を必要とする熱源装置、あるいは酸化熱反応を用いる携帯懐炉のように酸素給気を必要とする熱源機器はファンを運転し空調ダクトを通じて排熱あるいは給気を行う。

前述の送風による体温調整、蓄熱材を用いた体温調整、ペルチェ素子や電気ヒーターなどの熱源装置で体温調整を行う際は温度調節装置を用い無駄なエネルギー消費を低減する。

着衣の上から人体補助器具を装着する、あるいは構造体の全てあるいは一部のみを着衣の下に装着することで着衣を自由に選べるようにする。

人体補助器具の構造体の外装の色や形状を変更できるようにすることで着衣を変更するのと同等のファッション性を与えることができる。

腰椎に集中していた上半身の重量を骨盤に分散することで腰椎の負担を軽減できる。

着座時や活動時に腰骨の関節を無理に曲げる方向にかかる力を排除することができ、人体の負担を低減できる。

人体に装着する各種機器をケーブルを気にすることなく装着することができ、ＩＯＴ技術等により人体に装着する各種機器のネットワーク化も可能である。

人体に装着する各種装置を最適な位置に配することで両手を自由に使える。

人体の温度調整機能を内蔵することで高温、低温下での長時間の活動が可能になる。

人体そのものを局所的に温度調整することで省エネルギーにつながる。

立位状態における人体補助器具の概略図 座位状態における人体補助器具の概略図 肩部構造体、胸部構造体、臀部構造体を利用した荷物の運搬方法の説明図 照明器具と電源装置、表示装置と操作装置の構造体への取り付け例 気流による冷却方法と蓄熱材による冷却（加熱）方法の模式図 ペルチェ素子を用いた冷却方法と電気ヒーターを用いた加熱方法の模式図 座位で外部から冷風あるいは温風を補助具に取り込み体温調整を行う説明図

図１のように首から骨盤まで人体の背骨に沿って限定的に可動する頸椎部、脊椎部、腰椎部、臀部に分割された脊椎を補助する構造体と胸部構造体に固定した肩部の構造体を胸部と臀部構造体のベルトで装着し上半身の重量を骨盤に分散する。

構造体の連結部はボールジョイント、蝶番、弾性のある素材で接続する。

構造体の各連結部は前後方向、横方向、回転方向の可動範囲に制限をもつ構造とし制限幅は固定あるいは調整可能とする。

構造体の各連結部は体格に合わせ使用できるよう上下方向の長さを調整することも可能とする。

胸部構造体に固定される肩部構造体は体格に合わせて左右構造体間の幅を変更することも可能とする。

構造体の内部空間を必要に応じ空調用ダクトならびに通信線、制御線、電源線、導圧管が収納できる構造とする。

構造体表層部に外装機器の装着が可能なレール、ネジ穴、開口を設け、外装機器接続用のコネクターを設ける。

空調ダクトには給気、送気、排気、閉鎖を切り替えるダンパーと気体を運搬するファンと冷却装置、加熱装置を設ける。

腰部構造体より給気した外気はファンで加圧され構造体内部の空調ダクトを通じ頸椎部、胸椎部、肩部、腰椎部、臀部の各構造体に設けた送気口より送り出される。

各構造体に設る送気口はスリット状の構造で人体に沿うように気流を発生する。

ファンの運転を電動でダンパーの切換操作を手動あるいは電動にて可能なものとする。

構造体の空調ダクトの人体接触面は熱伝導のよい素材で外気との接触面は断熱性能の高い素材を用いる。

腰部の構造体の内部空間に冷熱、温熱の蓄熱材を収納可能なスペースを設け蓄熱材収納部の人体との接触面と外気との接触面は共に断熱性能の高い素材、構造を用いる。

冷熱、温熱の蓄熱材はセル状の連結構造とし腰部に巻きつけるように収納し、容易に臀部構造体より取り出せるようにする。

蓄熱材の放熱運転は空調ダクト内の気体の内部循環により構造体間の熱運搬を行い、人体との接触面からの熱伝達で体温の調整を行う。

冷熱放熱中の空調ダクト内は閉鎖された構造体内部での空気循環であるが結露現象が生じるため結露水を排出するドレン機構を設ける。

人体との接触面で構造体の冷却、加熱を行う場合、電気ヒーター、ペルチェ素子等の加熱冷却装置を設ける。

ペルチェ素子で冷却する場合は空調ダクトのダンパーを開とし外気を取り入れ、ファンを運転しペルチェ素子の排熱をおこなう。

ペルチェ素子で冷却する場合の給気は各構造体の送気口を外気取り入れ口として利用するか、胸椎構造体あるいは腰椎構造体の背面に専用の外気取り入れ口を設ける。

酸化反応熱で加熱する場合は、空調ダクトのダンパーを開とし外気を取り入れ、ファンは停止状態とし過度の反応の促進を抑制する。

電気ヒーターで加熱する場合空調ダクトをダンパーで閉鎖しファンは停止し空調ダクトを外気との断熱空間として利用する。

空調ダクト内の人体との接触面に温度調節器を設けファンと加熱冷却装置のＯＮ／ＯＦＦ制御あるいは比例制御を行う。

臀部構造体の給気口より外部空間から冷風、温風を取り入れファンで各構造体へ送風することで人体の冷房暖房を行う。

図４は照明器具と電源装置、表示装置と操作装置の構造体への取り付け例である。

照明器具の装着例では肩部構造体に照明装置を取り付け肩部構造体のコネクターに接続し構造体内部に設けた電源線を通して臀部構造体に設けたコネクターに接続された電源装置より給電される。

照明器具の装着例では肩部構造体に照明装置を取り付け肩部構造体のコネクターに接続し構造体内部に設けた電源線を通して臀部構造体に設けたコネクターに接続された電源装置より給電される。

照明器具自体に電源装置をもたないため肩部の重量を軽く、重心を低く装着できる。

座位における表示装置と操作装置の装着例では肩部構造体に取り付けた表示装置を肩部の構造体内部に設けたコネクターを介して構造体内部の信号線を通して臀部構造体に設けたコネクターに接続された操作装置に接続することで表示装置の操作を行い、外部から電源供給を行うことにで、長時間座位で操作器を操作し表示装置に作業に必要な情報を表示しながらの両手を用いた作業が可能となる。

図５は気流による冷却方法と蓄熱材による冷却（加熱）方法の模式図である。

気流による冷却方法の模式図では給気口より導かれた外気がファンにより加圧され、腰椎構造体、胸椎構造体の内部空間を空調ダクトとして通過し、各構造体の送風口より人体の各部位に放出されることでの人体表面の冷却を行う。

蓄熱材による冷却（加熱）方法の模式図では給気口と送気口に設けたダンパーを閉じ構造体内部の空間を閉鎖した状態で蓄熱材の熱を胸椎構造体、腰椎構造体、臀部構造体の内部で循環させ人体との接触面からの伝熱により人体の冷却あるいは加熱をおこなう。

冷熱蓄熱材の放熱時には結露を伴うため結露水を一次貯留し排出する機能を設ける。

図６はペルチェ素子を用いた冷却方法と電気ヒーターを用いた加熱方法の模式図である。

ペルチェ素子を用いた冷却方法の模式図では、送気口より導かれた外気がファンの圧力により胸椎構造体、胸椎構造体、臀部構造体の内部空間を通過し、通過する際ペルチェ素子の高温側から熱を受け取り排熱を行いペルチェ素子の低温側で人体表面の冷却を行う。

電気ヒーターを用いた加熱方法の模式図では給気口と送気口に設けたダンパーを閉じ構造体内部の空間を閉鎖した状態で胸椎構造体、腰椎構造体、臀部構造体の人体との接触面に設けた電気ヒーターで人体を加熱を行い構造体内部の空間は外気との断熱に利用する。

図７は座位で外部から冷風あるいは温風を補助具に取り込み体温調整を行う説明図である。

着座している椅子の送気口から冷風あるいは温風を吹き出し、臀部構造体の給気口より取り込み人体各部へ吹き出すことで外部熱源による冷房、暖房を行う。

椅子の送気口に設けたダンパーの開度調整、不在時にダンパーを閉じることで冷風、温風の供給量を変更することにより省エネルギーを行うことができる。

立位あるいは座位での長時間作業時の苦役を減らし生産性を向上できる。

荷物運搬時の人体への負荷を低減できる。

高温空間あるいは低温空間での作業における人体の負担、リスクを低減できる。

ウェラブルデバイスやＩＯＴ技術を活用し、医療用センサーを装着し作業者の労務管理を行い労働災害の発生を予防できる。

構造体にカメラなどの記録装置を取り付けることで作業中の手元の画像を記録として残し品質管理を行うことができる。

義手や義足といった人工の四肢を人体補助器具に装着し他の装置との通信や人体補助器具からの電源や動力を利用することで義手や義足の機能を高めることが可能である。

暗視装置や集音装置等の装置を構造体に取り付けることで人体の機能強化が可能である。

自動二輪車の運転手が装着することで露天にさらされる背中を環境から保護し、転倒などの際は運転手の保護装置となり快適で安全な運転を行える。

外部から冷風温風を供給し人体補助器具内部の送風機能を用いてオフィスの省エネルギーが可能である。

１ 頸椎構造体
２ 肩部構造体
３ 胸椎構造体
４ 腰椎構造体
５ 臀部構造体
６ 胸部装着ベルト
７ 腰部装着ベルト
８ 着座部背面
９ 着座部座面
１０ 照明器具
１１ 電源線
１２ 電源装置
１３ 表示装置
１４ 信号線
１５ 操作装置
１６ コネクター
１７ ファン
１８ 送気口
１９ ダンパー
２０ 蓄熱材
２１ 結露水
２２ ペルチェ素子
２３ 給気口
２４ 電気ヒーター
２５ 表示装置支持アーム
２６ ドレンバルブ

Claims (7)

1. 人体の背骨に沿って首から臀部まで人体背面に装着し、限定的に可動する頸椎部、胸椎部、腰椎部、臀部に分割された脊椎を補助する構造体により人体の腰にかかる重量を骨盤に分散させる機構を備え、頸椎背部の構造体で後頭部の重量の一部を胸部の構造体と胸部前面のベルトで胸部から上の重量を支え、胸部構造体に固定される肩部構造体で肩にかかる荷物の重量を受け止め、臀部構造体から腹部にかけてのベルトにて腰椎背部の構造体で受け止めた上半身の重量を立位では骨盤へ分散し、座位では人体背面で着座面と接する胸椎構造体と着座面の座面に接する臀部構造体に重量を分散し腰椎にかかる上半身の重量を軽減し、頸椎、胸椎、腰椎、臀部の構造体の連結部をボールジョイント、蝶番、弾性のある素材で接続し、各連結部の可動範囲を限定する構造とすることで人体の背骨の関節の前後方向ならびに横方向、回転方向にかかる過度な負荷を排除することで人体への負荷を低減する装着型の人体補助器具。
   以降、前述の装着型の人体補助器具を装着型器具と表記する。
2. 請求項１の装着型器具の各部の構造体を利用し、ウェアラブルデバイスを連結可能なレール、ネジ穴、開口部を設けて人体へのウェアラブルデバイスの装着が可能な装着型器具であり、装着型器具内部に各部の構造体をつなぐ通信線、制御線、電源線、導圧管を収納し、頸椎部、胸椎部、腰椎部、臀部の構造体の各部位に設けたコネクターを介して装着する表示装置、操作装置、計測装置、照明装置、映像装置、制御装置、記憶装置、通信装置、電源装置、動力源、駆動装置を接続でき、外部の装置とも通信線、制御線、電源線、導圧管にる接続が可能な装着型器具
3. 請求項１の装着型器具の内部空間を空気調和用ダクトとして利用し腰部の構造体より外気の給気を行い装着型器具内部に設置したファンにより送風し臀部構造体、腰部構造体、胸部構造体、肩部構造体、頸椎構造体に設けた送気口から送風し臀部から後頭部まで広範囲に人体を冷却可能な装着型器具
4. 請求項１の装着型器具の臀部の構造体に冷熱蓄熱材、温熱蓄熱材の収納スペースを設け、臀部構造体内蔵のファンにより頸椎構造体、胸椎構造体、腰椎構造体、臀部構造体内の空気調和用ダクトを通しダクト内の気体を内部循環させることで熱損失を抑え、胸椎構造体、腰椎構造体、臀部構造体の人体接触面からの熱伝導、熱伝達により人体の冷却あるいは加熱が可能な装着型器具
5. 請求項１の装着型器具の各部位の構造体の人体接触面に電気ヒーターやペルチェ素子といった電気をエネルギー源として動作する熱源機器、あるいは携帯懐炉のように化学反応で機能する冷暖房器具を収納し、構造体の人体接触面からの熱伝導、熱伝達により人体の冷却あるいは加熱が可能な装着型器具
6. 請求項４、５における装着型器具の構造体内部のファンの運転停止や送風方向、空調ダクトに設けたダンパーを切り替え、電気ヒーターを利用する際はファンを停止し空調ダクトを閉とし空調ダクトを外気からの熱の授受を遮断する断熱層として利用し、ペルチェ素子のように排熱、あるいは酸化熱反応を用いる携帯懐炉のように酸素給気を必要とする熱源機器を使用する場合はダンパーを開としファンによる排気あるいは給気を行い空調ダクト内の気体を選択した冷却あるいは加熱に適した状態に制御する機能を有する装着型器具
7. 請求項３の装着型器具内の送風機能を用いて外部より供給される冷風、温風を装着型器具内のファンによって臀部構造体内部に導き、臀部構造体、腰部構造体、胸部構造体、肩部構造体、頸椎構造体の内部空間を空調ダクトとして利用し各構造体に設けた送気口より吹き出し人体の冷暖房を行う装着型器具

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