JP6671068B2 - 姿勢保持用関節装置及びそれを用いた姿勢保持支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療関係の施術、農作業等において所定の姿勢で作業を行う際の作業者の姿勢保持に好適な関節装置及びそれを用いた姿勢保持支援装置に関する。

近年人体に装着して身体動作を補助する補助装置の開発が進められており、小型軽量化や円滑な補助動作といった実用化に向けて技術改良が図られている。例えば、特許文献１では、関節機構に駆動モータを取り付けて身体動作を補助する装着式動作補助装置が記載されている。また、特許文献２では、肘関節を挟む上腕部及び前腕部にそれぞれ装着されるサポート部材を肘関節の屈伸動作に合わせて姿勢変位可能となるように連結し、姿勢変位を規制する規制状態又は姿勢変位を許容する規制解除状態に設定する規制手段を設けた身体動作補助装置が記載されている。特許文献３では、側部フレームの内部にアクチュエータ及びブレーキ部を設けてアクチュエータの回転駆動により大腿カフの回動動作を行うとともにブレーキ部によりアクチュエータの回動部の回動動作を停止する装着式電気機械装置が記載されている。

特開２０１２−６６１２３号公報 特開２０１５−６２６６号公報 特開２０１６−６７８９９号公報

医療関係の施術や農作業等の作業では、所定の姿勢を保持した状態で作業を継続する場合があり、姿勢を保持するための身体への負担が大きくなる。例えば、外科手術を行う場合、患部に対して微細な施術を高精度で行うために手や眼の位置が動かないように同じ姿勢を長時間にわたって保持することが求められる。同じ姿勢を長時間保持する場合、腕や胴体の筋肉が硬直化した状態が継続して身体の負担が大きくなることから、こうした負担を軽減することが求められている。

特許文献１及び３では、関節部分に回転駆動用の駆動モータを設けて身体動作を補助するようにしているが、装置全体の重量が重くなり、装置を装着した場合の身体への負担が大きくなる。また、上述したような作業負担を軽減するという観点からみると、同じ姿勢を保持する際に装置自体の重量が身体の負荷となってくる。

特許文献２では、規制手段により腕の動作を規制することで、使用者の意志に反して外力により腕が動かないようにすることができるが、腕の動作の規制には所定ピッチで配列された係合爪を用いている。そのため、所定ピッチに合せた位置で腕の動作が段階的に規制されるようになり、上述した作業のように、作業者が正確に作業を行える位置で姿勢を保持することが難しい。

そこで、本発明は、作業者が正確な位置で確実に姿勢を保持することが可能となる姿勢保持用関節装置及びそれを用いた姿勢保持支援装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る姿勢保持用関節装置は、一方の連結部材及び他方の連結部材を互いに回動可能に連結するとともに両者を任意の回動角度位置で保持して所望の姿勢を安定して保持する作動状態及び回動自在な解除状態に設定する姿勢保持用関節装置であって、一方の前記連結部材に接続される作動部と、他方の前記連結部材に接続される回動体と、前記作動部の支持部材に取り付けられるとともに前記回動体を前記作動部に回動自在に軸支する回動軸部とを備え、前記作動部は、前記回動体の内周面に接触可能に取り付けられた圧接部材と、前記圧接部材を前記回動体の内周面に圧接するように動作させる作動部材と、前記圧接部材を前記回動体の内周面に圧接させて前記作動状態に設定するように前記作動部材を動作させる駆動部とを備えており、前記作動部は、前記作動状態において、前記圧接部材を内周面に圧接させて前記回動体が回動しないよう保持しつつも他方の前記連結部材に作業者が力を加えて回動させて回動角度位置を調整することで所望の姿勢に調整可能となる作動調整状態と、他方の前記連結部材に作業者が力を加えても回動できないように設定して所望の姿勢を安定して保持する作動設定状態と、になるように前記作動部材を動作させる。さらに、前記作動部は、前記圧接部材を前記回動体の内周面に圧接する方向とは反対方向に移動するように付勢する付勢部材を備えている。

本発明に係る姿勢保持支援装置は、作業者の骨格に沿って配置される複数のフレームと、前記フレームを回動可能に連結する関節部とを少なくとも備え、上記の姿勢保持用関節装置を前記関節部に用いている。

本発明は、上記のような構成を有することで、連結部材を任意の回動角度位置で正確に保持することができ、作業者が正確な位置で確実に姿勢を保持することが可能となる。

本発明に係る姿勢保持用関節装置を用いた姿勢保持支援装置の装着状態に関する正面図（図１（ａ））、側面図（図１（ｂ））及び背面図（図１（Ｃ）)である。 姿勢保持支援装置の使用状態を示す説明図である。 姿勢保持支援装置の関節部に用いる姿勢保持用関節装置に関する分解斜視図である。 作動部に関する上方から見た斜視図（図４（ａ））及び下方から見た斜視図（図４（ｂ））である。 図４（ａ）に示す回動中心軸を通る径方向であるＴ−Ｔ方向に沿って切断した断面図である。 作動部１１０の作動状態に関する説明図である。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る姿勢保持用関節装置を用いた姿勢保持支援装置の装着状態に関する正面図（図１（ａ））、側面図（図１（ｂ））及び背面図（図１（Ｃ）)である。姿勢保持支援装置１は、作業者Ｍの上半身及び下半身の外側面側及び背面側に装着するようになっており、装着状態でも作業に支障がないようになっている。

姿勢保持支援装置１は、上半身側には、作業者Ｍの腰部の背面側に装着される操作ユニット部１０、操作ユニット部１０の上方に向かって取り付けられた一対の背部フレーム１１、背部フレーム１１の上部において左右両側に向かって取り付けられた一対の肩部フレーム１２を備えている。肩部フレーム１２の左右両端部には、それぞれ関節部２０を介して上腕部フレーム１３が連結されており、上腕部フレーム１３には、上肢サポート部材３０が関節部２１を介して連結されている。

下半身側には、操作ユニット部１０の下部から左右に向かって取り付けられた一対の臀部フレーム１５、臀部フレーム１５の左右両側に関節部２２を介して連結された一対の大腿部フレーム１６、大腿部１６の下部に関節部２３を介して連結された下腿部フレーム１７、下腿部１７の下部に関節部２４を介して連結された足部フレーム１８を備えている。大腿部１６には、中間部の背面側に大腿サポート部材３１が取り付けられており、下腿部フレーム１７には、中間部の正面側に下腿サポート部材３２が取り付けられている。

各フレームは、軽金属材料や複合材料を用いることで軽量化することが可能で、後述するように、姿勢保持の際に加わる荷重に対して耐久性を有するように各フレームの形状やサイズを設計することで、軽量で強度を有する装置に構成することができる。

背部フレーム１１は、作業者Ｍの背骨の左右両側に配置され、作業者Ｍの前後左右への傾動動作や回動動作に追随するように弾性変形可能な素材により成形されている。肩部フレーム１２は、両肩部の背面側に配置され、２つの部材を組み合せて長手方向の長さを変更可能となるように構成し、作業者Ｍの肩幅に合わせて調節可能となっている。また、肩部フレーム１２は、作業者Ｍの肩部の上下方向及び前後方向への移動動作に追随するように弾性変形可能な素材により成形されている。

上腕部フレーム１３は、２つの部材を組み合せて長手方向の長さを変更可能となるように構成し、作業者Ｍの上腕部の長さに合わせて調節可能となっている。上腕部フレーム１３は、上腕部の外側面側に配置され、作業者Ｍの肩関節に対応した位置に配置された関節部２０を中心として回動可能に取り付けられており、上腕部の回動動作に追随して回動するようになっている。上肢サポート部材３０は、作業者Ｍの前腕部の肘関節側を覆うように湾曲成形されており、肘関節に対応した位置に配置された関節部２１を中心として回動可能に取り付けられている。

臀部フレーム１５は、作業者Ｍの臀部の上部に配置されて臀部の形状に沿うように湾曲成形されており、２つの部材を組み合せて長手方向の長さを変更可能となるように構成し、臀部の幅に合わせて調節可能となっている。大腿部フレーム１６は、２つの部材を組み合せて長手方向の長さを変更可能となるように構成し、作業者Ｍの大腿部の長さに合わせて調節可能となっている。大腿部フレーム１６は、大腿部の外側面側に配置され、作業者Ｍの股関節に対応した位置に配置された関節部２２を中心として回動可能に取り付けられており、大腿部の回動動作に追随して回動するようになっている。下腿部フレーム１７は、２つの部材を組み合せて長手方向の長さを変更可能となるように構成し、作業者Ｍの下腿部の長さに合わせて調節可能となっている。下腿部フレーム１７は、作業者Ｍの下腿部の外側面側に配置され、作業者Ｍの膝関節に対応した位置に配置された関節部２３を中心として回動可能に取り付けられており、下腿部の回動動作に追随して回動するようになっている。足部フレーム１８は、作業者Ｍの足部の外側面側に配置され、作業者Ｍの足関節に対応した位置に配置された関節部２４を中心として回動可能に取り付けられている。

大腿サポート部材３１は、大腿部フレーム１６に取付固定されて、作業者Ｍの大腿部のほぼ中央部分を背面側から覆うように湾曲成形されている。下腿サポート部材３２は、下腿部フレーム１７に取付固定されて、作業者Ｍの下腿部のほぼ中央部分を正面側から覆うように湾曲成形されている。

操作ユニット部１０は、腰ベルト部４０に取り付けられている。腰ベルト部４０は、帯状の伸縮性素材からなるとともに長手方向の両端部に面ファスナーが設けられており、作業者Ｍの腰部の周囲に巻き付けるようにして取り付けて操作ユニット部１０を身体に固定することができる。腰ベルト部４０には、操作ユニット部１０の取付位置に肩ベルト部４１の両端部が取付固定されており、肩ベルト部４１の中央部分は背部フレーム１１及び肩部フレーム１２の取付部分に取付固定されている。肩ベルト部４１は、帯状の伸縮性素材からなり、姿勢保持支援装置１の装着時には、作業者Ｍの両肩部に背負うように装着することで、姿勢保持支援装置１を作業者Ｍの体幹にずれないように取り付けることができる。

上肢サポート部材３０には、帯状の伸縮性素材からなる腕ベルト部４２が取り付けられている。腕ベルト部４２は、長手方向の両端部に設けられた面ファスナーにより作業者Ｍの前腕部に巻き付けるように取り付けて、上肢サポート部材３０を前腕部にずれないように取り付けることができる。足部フレーム１８には、作業者Ｍの足部を覆うようにサンダル形状の足固定部４３が取り付けられている。足固定部４３は、甲部分を覆うベルト部分の一方の側に面ファスナーが設けられて着脱可能に構成されており、装着された足部がずれないように固定することができる。

姿勢保持支援装置１は、以上のような構成を備えているので、作業者の動作に追随して各フレームが動作するようになる。操作ユニット部１０には、電源部及び制御部が内蔵されており、各関節部を固定する作動状態又は回動自在とする解除状態に設定するように制御する。作動状態又は解除状態を設定する操作スイッチは、操作ユニット部１０に設けてもよく、足固定部４３に設けることで足により操作するように構成することもできる。そして、作業者が所定の姿勢を保持したい場合には、各関節部を作動しないように固定することで、各フレームをそのままの作動位置で固定させることができる。そのため、各サポート部材を所定の姿勢を保持した状態で固定されるようになり、作業者は所定の姿勢を安定した状態で保持することができる。

図２は、姿勢保持支援装置の使用状態を示す説明図である。この例では、作業者が中腰で腕を上げた姿勢で作業を行う場合を示している。作業者の上半身では、上肢サポート部材３０は、作業者の腕に沿うように支持した状態で関節部が固定されているため、作業者は腕を上肢サポート部材３０に載置することができ、腕を上げた状態を保持するための筋肉を緩めて作業に集中することが可能となる。また、下半身では、大腿サポート部材３１は、中腰の姿勢で大腿部の後側を支持し、下腿サポート部材３２は、膝関節の下部において前側を支持した状態で関節部が固定されている。そのため、前傾姿勢で前方に向かって加わる荷重を下腿サポート部材３２で支持するとともに下方に加わる荷重を大腿サポート部材３１で支持することができ、中腰の姿勢を保持するための筋肉を緩めて作業を同じ姿勢で継続することが可能となる。

なお、上述した例では、作業者の骨格に沿って上半身及び下半身にフレームを連結して構成しているが、上半身部分のみ又は下半身部分のみを装置として構成することもできる。

図３は、姿勢保持支援装置の関節部に用いる姿勢保持用関節装置に関する分解斜視図である。姿勢保持用関節装置１００は、姿勢保持支援装置１の各関節部に用いられており、連結部材である各フレームを互いに回動可能に連結している。そして、姿勢保持支援装置１は、姿勢保持用関節装置１００を用いることで、連結する各フレームを任意の回動角度位置で保持する作動状態及び回動自在な解除状態に設定するようになっている。

姿勢保持用関節装置１００は、作動部１０１、回動体１０２及びカバー体１０３を備えている。回動体１０２は、作動部１０１に回動自在に軸支されており、作動部１０１が一方のフレームに接続されるとともに回動体１０２が他方のフレームに接続されることで、２つのフレームが互いに回動可能に連結されるようになる。ここで、回動体１０２の回動中心軸に沿う方向を軸方向とし、軸方向と直交する方向を径方向、回動中心軸を中心に回動する方向を周方向とする。

回動体１０２は、所定幅で円筒状の周面部１０２ａを備えており、周面部１０２ａの内周面は、周方向に沿って形成されており、後述する圧接部材が圧接するようになる。周面部１０２ａには、中心軸方向の一方の側に平面状の底面部１０２ｂが一体化して形成されており、底面部１０２ｂには、周面部１０２ａの中心に回動軸となる止めネジ１０２ｃが軸方向に立設されている。そして、回動体１０２内に作動部１０１が収容されて上方からカバー体１０３が取り付けられ、カバー体１０３の周縁部が回動体１０２の周面部１０２ａの周縁部にほぼ合致するように形成されている。

図４は、作動部１０１に関する上方から見た斜視図（図４（ａ））及び下方から見た斜視図（図４（ｂ））である。また、図５は、図４（ａ）に示す回動中心軸を通る径方向であるＴ−Ｔ方向に沿って切断した断面図である。作動部１０１は、回動体１０２の周面部１０２ａの内周面に接触可能に取り付けられた一対の圧接部材１１０と、圧接部材１１０を周面部１０２ａの内周面に圧接するように動作させる作動部材１１１と、圧接部材１１０を周面部１０２ａの内周面に圧接させて作動状態に設定するように作動部材１１１を動作させる駆動部１１２を備えている。

作動部１０１の下面側には、回動軸部１０４が支持部材１１３に取り付けられている。回動軸部１０４は、ベアリング等を介して支持部材１１３に取り付けられており、回動体１０２の止めネジ１０２ｃを螺着するネジ穴が回動中心軸に沿って形成されている。そのため、回動軸部１０４に回動体１０２を止めネジ１０２ｃにより取り付けることで、回動体１０２を作動部１０１に対して回動自在に取り付けることができる。

圧接部材１１０は、支持部材１１３の下面側に沿って周方向に配設された半円弧状の圧接取付部１１０ａと、圧接取付部１１０ａの一方の端部を支持部材１１３に取り付ける圧接支持部１１０ｂと、圧接取付部１１０ａの外周縁に沿って取り付けられた半円弧状の摩擦部１１０ｃを備えている。摩擦部１１０ｃには、周面部１０２ａの内周面に対向するように、内周面の軸方向の幅とほぼ同じ幅で所定の厚さに形成された樹脂製の摩擦材が周方向に沿って取り付けられている。

圧接取付部１１０ａは、一方の端部を支持部材１１３で支持されて他方の端部が自由端となっており、他方の端部の端面が作動部材１１１の外周縁に形成された作動面に当接した状態に設定されている。圧接取付部１１０ａは、金属製の板状体を成形加工しており、一対の圧接取付部１１０ａの他方の端部の端面が互いに離間する方向に弾性変形可能となるように設定されている。

作動部材１１１は、略楕円形状に形成されており、一対の圧接取付部１１０ａの他方の端部の対向する端面の間に配置されている。駆動部１１２は、支持部材１１３に載置されており、駆動モータ１１２ａを内蔵している。駆動モータ１１２ａは図示せぬ伝動機構を介して軸方向に設定された作動軸１１２ｂを回転駆動するように構成されている。作動部材１１１は、中心部を作動軸部１１２ｂに止めネジにより固定されており、駆動モータ１１２ａの回転駆動により作動部材１１１は、作動軸部１１２ｂを中心に回動するようになっている。

作動部材１１１は、外周縁に形成された略楕円状の作動面の長軸方向及び短軸方向の長さが異なるように設定されており、作動部材１１１を長軸方向が周方向に沿うように回動させることで、一対の圧接取付部１１０ａの他方の端部の対向する端面の間の間隔が拡がるように圧接取付部１１０ａを弾性変形させ、一対の圧接部材１１０の摩擦部１１０ｃが回動体１０２の周面部１０２ａの内周面に圧接した状態に設定される。そのため、回動体１０２は作動部１０１に対して回動できない一体化した状態となる。したがって、上述したように、作動部１０１に接続された一方のフレームと回動体１０２に接続された他方のフレームとの間の回動角度位置を所望の角度位置に設定して作動部材１１１を回動させて長軸方向が周方向に沿うように設定することで、所望の角度位置を保持した作動状態に設定することができる。

一方、作動部材１１１を短軸方向が周方向に沿うように回動させることで、一対の圧接取付部１１０ａの他方の端部の対向する端面の間の間隔は狭くなり、圧接部材１１０の摩擦部１１０ｃが回動体１０２の周面部１０２ａの内周面に圧接しない解除状態に設定される。そのため、回動体１０２は作動部１０１に対して回動自在の状態となる。したがって、作動部１０１に接続された一方のフレームと回動体１０２に接続された他方のフレームとは互いに回動自在となる解除状態に設定することができる。

この例では、圧接部材１１０を回動体１０２の内周面に圧接する方向とは反対方向に移動するように付勢する付勢部材１１４が取り付けられている。付勢部材１１４は、帯状で湾曲形成された一対の板バネ部１１４ａが圧接部材１１０と駆動部１１２との間に配設されており、板バネ部１１４ａの一方の端部と接続する支持部１１４ｂが支持部材１１３の上面側に取付固定されている。板バネ部１１４ａは、圧接部材１１０の内周側の側面に沿って湾曲形成されており、板バネ部１１４ａの他方の端部には、圧接部材１１０の圧接取付部１１０ａに取り付けられる取付部１１４ｃが形成されている。板バネ部１１４ａは、他方の端部が圧接部材１１０に取り付けられて内周側に引張る付勢力が常時加わるようになっており、圧接部材１１０の作動部材１１１に当接する端面は常時作動部材１１１の作動面に圧接した状態となる。そのため、作動部材１１１の回動動作に即応して圧接部材１１０が正確に動作するようになる。

図６は、作動部１１０の作動状態に関する説明図である。図６（ａ）では、作動部材１１１は、短軸方向が周方向に沿うように設定された解除状態となっている。解除状態では、圧接部材１１０の摩擦部１１０ｃが回動体１０２の周面部１０２ａの内周面に圧接しない状態となっており、この例では、摩擦部１１０ｃが内周面に一部接触しているものの圧接しておらず、回動体１０２は回動自在となっている。

図６（ｂ）では、作動部材１１１を所定角度だけ回動させて摩擦部１１０ｃを内周面に圧接状態として回動体１０２が回動せずに保持される状態としているが、フレームに力を加えて回動させることが可能な状態に設定されている。そのため、フレームの間の回動角度位置を調整可能な作動調整状態となっている。姿勢保持支援装置を装着した状態では、操作ユニット部１０を操作して一旦作動調整状態に設定することで、作業者の姿勢が仮に保持された状態となり、その後作業者が所望の姿勢となるように調整することが可能となる。

そして、図６（ｃ）に示すように、作動部材１１１をさらに回動させて長軸方向が周方向に沿うように設定することで、調整後の姿勢が保持されてフレームに力を加えても回動できない作動設定状態とする。この例では、一対の摩擦部１１０ｃの作動部材１１１側の端部が圧縮された状態で内周面に圧接されるようになり、回動体１０２をいずれかの方向に強制的に回動させようとすると、いずれかの摩擦部１１０ｃの作動部材１１１側の端部が回動方向に押し込まれるように作用して確実に回動できない状態に設定される。こうしてフレームの間の回動角度位置を確実に保持して、所望の姿勢を安定して保持することができる。

また、作動部材１１１を長軸方向が周方向に沿うように設定することで、圧接部材１１０の圧接取付部１１０ａで両側から挟持されて安定した保持状態となり、駆動モータ１１２ａからの駆動力が停止しても作動部材１１１が不用意に回動することなく作動状態を維持することができる。そのため、駆動モータ及び電源としては、作動部材１１１を所定角度回動させるだけの駆動力を得ることができればよく、消費電力が小さくなって装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

作動部材１１１の形状は、上述したように、作動状態及び解除状態となるように圧接部材１１０を安定した保持状態に設定することができればよく、略楕円形状以外の形状とすることもできる。

また、回動体１０２の内周面に溝等の識別マークを形成しておき、作動部１０１側に識別マークを検知する検知センサを取り付けることで、回動体１０２の回動角度を精度よく検知することが可能となる。そのため、関節装置の回動角度を高精度で設定して所望の姿勢に正確に保持することができるようになる。

１・・・姿勢保持支援装置、１０・・・操作ユニット部、１１・・・背部フレーム、１２・・・肩部フレーム、１３・・・上腕部フレーム、１４・・・前腕部フレーム、１５・・・臀部フレーム、１６・・・大腿部フレーム、１７・・・下腿部フレーム、１８・・・脚部フレーム、２０〜２４・・・関節部、３０・・・上肢サポート部材、３１・・・大腿サポート部材、３２・・・下腿サポート部材、４０・・・腰ベルト部、４１・・・肩ベルト部、４２・・・腕ベルト部、４３・・・足固定部、１００・・・姿勢保持用関節装置、１０１・・・作動部、１０２・・・回動体、１０３・・・カバー体、１０４・・・回動軸部、１１０・・・圧接部材、１１１・・・作動部材、１１２・・・駆動部、１１３・・・支持部材、１１４・・・支持部材

Claims (3)

1. 一方の連結部材及び他方の連結部材を互いに回動可能に連結するとともに両者を任意の回動角度位置で保持して所望の姿勢を安定して保持する作動状態及び回動自在な解除状態に設定する姿勢保持用関節装置であって、一方の前記連結部材に接続される作動部と、他方の前記連結部材に接続される回動体と、前記作動部の支持部材に取り付けられるとともに前記回動体を前記作動部に回動自在に軸支する回動軸部とを備え、前記作動部は、前記回動体の内周面に接触可能に取り付けられた圧接部材と、前記圧接部材を前記回動体の内周面に圧接するように動作させる作動部材と、前記圧接部材を前記回動体の内周面に圧接させて前記作動状態に設定するように前記作動部材を動作させる駆動部とを備えており、前記作動部は、前記作動状態において、前記圧接部材を内周面に圧接させて前記回動体が回動しないよう保持しつつも他方の前記連結部材に作業者が力を加えて回動させて回動角度位置を調整することで所望の姿勢に調整可能となる作動調整状態と、他方の前記連結部材に作業者が力を加えても回動できないように設定して所望の姿勢を安定して保持する作動設定状態と、になるように前記作動部材を動作させる姿勢保持用関節装置。
2. 前記作動部は、前記圧接部材を前記回動体の内周面に圧接する方向とは反対方向に移動するように付勢する付勢部材を備えている請求項１に記載の姿勢保持用関節装置。
3. 作業者の骨格に沿って配置される複数のフレームと、前記フレームを回動可能に連結する関節部とを少なくとも備え、請求項１又は２に記載の姿勢保持用関節装置を前記関節部に用いている姿勢保持支援装置。

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