JP6804656B2 - 弾性体を用いた人体屈伸補助装置 - Google Patents

Description

弾性体を用いた人体屈伸補助装置は、人体上部に着用することによって人体が直立している時にはその状態を維持し、人体屈伸時に上体の位置によって変わる重力エネルギーを弾性体と電気装置に蓄積して再使用することによって、人体エネルギー消費を減らし、背部と腰に加えられる負荷を軽減させて少ない力でも屈伸が可能にすることで、長時間屈伸運動による疲労を減らし、屈伸の角度に比例して腰の圧迫強度を大きくなるようにして腰推の変位を減らす装置であって、産業現場の作業者、医療的理由で腰の補強を必要とする患者などが着用し、人体屈伸の能力を向上させる装置に関する。

産業現場や農業現場等で作業者が長い間腰をかがめて作業する場合と重量物などを持ち上げる時、上体の自体重さと作業目的物の重さ及び腰をかがめる角度に比例して、腰と背部側に一方向の負荷がかかって疲れやすいし、腰の損傷を受けることもあるが、容易に解決できる方法がない。

医療的に腰を保護すべき場合、従来は、腹帯、バンド、ベルトなどを使用したし、近来は着用ロボットもあるが、従来の保護帯等は、上体にかかる身体負荷を軽減させることができなくて、身体動作の柔軟性を落とす不便さがあり、着用ロボットは、外部動力に依存し、普遍的に使用するには経済性が落ちる。

本発明は、従来の腰保護帯、ベルトなどで解決できなかった、身体屈伸運動時、腰と背部にかかる負荷を軽減し、同時に身体本来の柔軟性を維持するようにすることによって、同じ時間の同じ量の身体運動時に疲労を減らし、腰推の変位及び離脱を防止して腰を保護することにその目的がある。

本発明の他の目的は、屈伸運動に人体自体のエネルギーを再利用すると同時に外部動力を追加して使用可能にすることで、経済性と使用便宜を向上させるウェアラブルロボットのような装置を作ることにある。

本発明、弾性体を用いた人体屈伸補助装置は、上体を曲げる時、上体の変位により発生する力（重力エネルギー、位置エネルギー）を弾性体と電気装置に蓄積し、その蓄積された力を上体が直立に復帰する時に戻して、身体の力消費を減らすことを特徴とする。

リーフスプリングをコイル形状化して曲げ、引っ張り、回転反発力を有するようにした一体型リーフコイル弾性体またはリーフスプリングの曲げ反発力と別途コイルスプリングの張力を結合して総曲げ反発力を調節することができるように設計された複合弾性体と、胴部の上部に着用する上部固定ベルト、胴部の下部（骨盤部）に着用する下部固定ベルトで構成され、屈伸時に、下部固定ベルトは、弾性体の下部を垂直に固定するように作用し、上部固定ベルトは、人体上部の曲げによって弾性体の上部を引っ張って弾性体に反発力が生じるように作用する。また、弾性体は、人体背部の曲面（脊椎の形状）に従うコイル形状のフレームまたは多数のブロック（ｂｌｏｃｋ）をなし、身体の曲げによって人体背部に密着される可変点が弾性体に対する可変の支え点として作用して、反発力を起こすようにすることを特徴とする。

また、一体型リーフコイル弾性体のテンションワイヤ張力または複合弾性体のコイルスプリング張力をテンションウィンチで調節可能なようにすることによって、屈伸運動に外部動力を追加して使えるようにすることを特徴とする。

また、張力調節用テンションウィンチの電気モータは、身体の曲げによってウィンチが解ける時に発電機に転換され、生産された電気は、外部動力源に戻して、外部動力の消費を最小化することを特徴とする。

人体の屈伸による位置エネルギー変化を一定部分弾性体に蓄積、再使用することによって、人体のエネルギー消費を減らして屈伸運動を容易にし、屈伸運動による疲労を減らす。

また、腰（腰推）部位に集中的に繰り返される負荷を軽減することによって、一方向運動をもっと長い間可能にし、曲げ動作時に腰推を前方向に圧迫して腰推が後に押されることを抑制して腰を保護する効果がある。

また、作業中に重量物を持ち上げる時、弾性体の反発力とテンションウィンチの作用ほど腰の負担を減らすことができる。

本発明による人体の屈伸補助装置を着用した状態と構成品を示す。 本発明による弾性体、上下フレームと着用ベルト及び下部延長フレームと着用ベルトを示す詳細であって、構成品を符号で表示したものである。 本発明による一体型リーフコイル弾性体と、外部動力を利用することができる装置及び指圧点を示す。 本発明による一体型リーフコイル弾性体の人体の屈伸による作用と作用原理を示す。 本発明によるブロック型複合弾性体構造と人体背部の屈曲面と接するクッションの多様な形態と役割を示す。 本発明による複合弾性体の人体屈伸による作用と作用原理を示す。

図１において、

本発明装置の上下部着用ベルトと弾性体を一体化して衣服を着るように着用できるようにし、人体と接する面を人体屈曲に合わせて人体屈伸と弾性体の屈伸が一致するようにすることで、弾性体の反発力利用率を高め、人体の動きにより制御される電気モータで人体と弾性体とを曲げるときは電気を生産して外部動力源に蓄積し、人体と弾性体とを伸ばすときは外部動力を電気モータに加えることによって、人体本然の屈伸能力に弾性体の反発力と外部の力を加えた、総屈伸能力を高める人体屈伸補助装置。

図１において、

本発明装置を人体背部に着用した状態を示しており、上部フレームｂ１は、上部着用ベルトｂ５を介して上体上部に固定され、下部フレームｃ１は、下部着用ベルトｃ５を介して上体下部に固定される。リーフコイル弾性体ａ１または複合弾性体ａ１−１は、上下部フレームｂ１、ｃ１と垂直に連結される。延長フレームｄ１は、延長フレーム連結プラグｄ２と延長フレーム連結ソケットｃ４を介して下部フレームｃ１に締結されて延長フレームベルトｄ５で股に固定される。

図２において、

上部フレームｂ１は、高弾性材質であり、上部着用ベルト固定具ｂ３を介して上部着用ベルトｂ５と連結される四つの点と、弾性体の上部締結具ｂ２を介して弾性体の上部フレーム締結具ａ５に連結される一つの点との間の横断面距離を最小限に維持するようにし、リーフコイル弾性体ａ１または複合弾性体ａ１−１の作用で横断面距離が増える時（上体を曲げる時）、横方向曲げ反発力が生じてリーフコイル弾性体ａ１または複合弾性体ａ１−１の作用を補助する。上部フレームｂ１には複数の弾性体の上部締結具ｂ２があって着用者の身長によって調節が可能であり、多数の上部フレーム放熱孔ｂ４があって着用活動による発熱による不便感を減らすようにする。

リーフコイル弾性体ａ１は、一体型のリーフスプリングを上体背部の屈曲に従うようにコイルスプリング化したものであり、コイルによってリーフの絶対長さは、身体上部より長い。それによって、相対的に厚くて強いリーフスプリングの曲げ反発力を柔らかくして使用することができ、同時に身体運動による引っ張り、ねじりにも対応する。リーフコイル弾性体ａ１の腰接触面に多数の指圧突起ａ６が付着され、コイル形状の内部には多数のテンションプーリーａ２が設置され、テンションワイヤａ３がテンションプーリーａ２を介してリーフコイル弾性体ａ１の下部に設置されるテンションウィンチａ４と連結される。

複合弾性体ａ１−１は、リーフコイル弾性体ａ１と相互代替可能であり、多数のブロックａ１１がボールジョイントまたはヒンジａ１３で相互連結される。連結ヒンジの反対側ブロック内部には、リーフスプリングａ１０、コイルスプリングａ１６、張力調節ネジａ１７、張力調節モータａ７−１が一軸を形成する。

下部フレームｃ１は、高弾性材質であり、下部着用ベルト固定具ｃ３を介して下部着用ベルトｃ５と連結される四つの点と、弾性体の下部締結具ｃ２を介して弾性体の下部フレーム締結具ａ７に連結される一つの点との間の横断面距離を最小限に維持するようにし、リーフコイル弾性体ａ１または複合弾性体ａ１−１の作用で水平距離が増える時（上体を曲げる時）は、横方向曲げ反発力が生じてリーフコイル弾性体ａ１または複合弾性体ａ１−１の作用を補助する。同時に弾性体ａ１、ａ１−１の下部を垂直に維持して固定させ、弾性体ａ１、ａ１−１の曲げ反発力がより効率的に作用されるように補助する。

延長フレームｄ１は、下部フレームｃ１と下部着用ベルトｃ５の固定力のみではリーフコイル弾性体ａ１にかかる大きい反発力に対応することができない時に使用し、下部フレームｃ１のリーフコイル弾性体ａ１の下部を垂直に維持する力を補強する。

図３において、

リーフコイル弾性体ａ１の上下部には多数の上下部フレーム締結具ａ５、ａ７があって着用者の身長と着用ベルトの着用位置変化によって縦方向距離調節が可能である。リーフコイル弾性体ａ１のコイル部ａ９の人体背部接触面には多数の指圧突起ａ６があって、身体の曲げによる腰部位（腰推部位）圧迫時に、リーフコイル弾性体ａ１が脊椎骨を直接圧迫することを防止すると同時に、脊椎の両側の筋肉を指圧する効果を上げる。

リーフコイル弾性体ａ１のコイル部ａ９の内部には多数のテンションプーリーａ２が設置され、テンションワイヤ固定点ａ８に一端が固定されたテンションワイヤａ３がテンションプーリーａ２を介してテンションウィンチａ４に連結される。外部動力でテンションウィンチａ４を作動すると、テンションウィンチａ４に設定された値にテンションワイヤａ３を引っ張り、この引っ張り力は、リーフコイル弾性体ａ１の反発力と結合されて身体を伸びる時、上体を持ち上げる力をより大きくする。

図４において、

リーフコイル弾性体ａ１とリーフコイル弾性体に設置される一連のテンショニング（ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ）装置が、人体屈伸によって作動する原理と効果を説明する。

人体背面（背部）に沿って形成される基準軸Ｓ１は、人体屈伸によって形態は変わり、それに対し、長さは不変である。

基準軸Ｓ１の後部に形成される無限の仮想変動軸Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４...は、屈伸角度に比例して長さが変わり、この長さ変化によってコイルをなす円周も比例的に変わる。垂直状態で曲げる時は、基準軸Ｓ１を中心にリーフコイル弾性体ａ１のスプリング自体の曲げ反発力が、コイル部位をすぎる変動軸Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４...を中心に長さ伸張によるコイルの縦方向引っ張り反発力が発生する。コイルの引っ張り反発力は、基準軸Ｓ１と変動軸Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４...の横断面距離によって基準軸Ｓ１中心の曲げ反発力として作用するようになる。

前記結果として、リーフコイル弾性体ａ１の人体屈伸による弾性変化は、基準軸Ｓ１中心の曲げ反発力で上下部フレームｂ１、ｃ１を介して人体に作用するようになる。

一方、外部動力を利用するテンショニング装置は、リーフコイル弾性体ａ１の後面コイル部位に設置される。この装置は、リーフコイル弾性体ａ１が人体運動によって直立状態で曲げられると、コイルの円周拡大によってテンションプーリーａ２間の距離が遠くなり、テンションワイヤ固定点ａ８とテンションプーリーａ２を経てテンションウィンチａ４に連結されるテンションワイヤａ３の通過距離が増えるようになる。増えた長さに順応してテンションウィンチａ４は、低く調整されたテンションを維持してワイヤを引き出す（Ｄｒａｗ Ｏｕｔ）。

リーフコイル弾性体ａ１が人体運動によって曲げ状態から直立へ変わって行けば、コイルの円周縮小によってテンションプーリーａ２間の距離が減って、テンションワイヤ固定点ａ８とテンションプーリーａ２を通過してテンションウィンチａ４に連結されるテンションワイヤａ３の通過距離が減る。この時、人体動作による電気的（または、機械的）信号を受けたテンションウィンチａ４は、高く設定されたテンションを維持して事前設定された位置までワイヤを巻き込む（Ｈｏｌｄ Ｂａｃｋ、Ｐｕｌｌ Ｉｎ）。屈伸によって外部動力で引き出しと巻き込み（ｄｒａｗ ｏｕｔ−ｈｏｌｄ ｂａｃｋ）を実行することによって、リーフコイル弾性体ａ１の反発力にテンションウィンチａ４の引っ張り力を追加して、より大きい力で人体の伸張（起こす）を助ける。

図５において、

複合弾性体ａ１−１は、多数のブロックａ１１がヒンジまたはボールジョイントａ１３で結合され、その結合されたヒンジまたはボールジョイントが形成する軸が複合弾性体の作用基準軸Ｓ１になり、この軸は、複合弾性体の曲げ時に長さ変化がない。ブロックの連結点の反対側ブロック内部にはリーフスプリングａ１０、コイルスプリングａ１６、張力調節ネジａ１７、張力調節ナットａ１８が一軸に連結されて変動軸Ｓ２を形成し、この軸は、複合弾性体ａ１−１の曲げ作用時、曲げ角度に比例して長さが増大である。変動軸Ｓ２の長さ増大は、コイルスプリングａ１６の張力を高めて、この張力は、複合弾性体の曲げによって、曲げ反発力として作用するようになる。

コイルスプリングａ１６の張力は、張力調節ネジａ１７で調節可能であり、張力調節ネジの回転によって張力調節ナットａ１８が上下に動いて、コイルスプリングａ１６を引っ張ったり緩めたりして調節する。この時、最上部ブロック壁面は、張力調節ナットａ１８のガイド役割をする。複合弾性体ａ１−１の総曲げ反発力は、リーフスプリングａ１０自体の反発力と、変動軸Ｓ２にかかる引っ張り力が曲げ反発力に変換された反発力の和からなる。

図６において、

多数のブロックａ１１の内部には変動軸Ｓ２を構成するリーフスプリングａ１０が通過し、このリーフスプリングは、複合弾性体ａ１−１の曲げ時にブロック内部通路の曲面スライディングガイドａ１５に沿って変動軸Ｓ２の弧を形成し、複合弾性体ａ１−１の屈伸によってスライディングガイドａ１５面に接して上下に少しずつ動くようになる。

基準軸Ｓ１は、曲げにも長さ変化がなく、変動軸Ｓ２は、曲げによって長さが変わり、この長さは、基準軸Ｓ１の曲げ半径と変動軸Ｓ２の曲げ半径による円周の差により発生する。変動軸Ｓ２の長さ変化がコイルスプリングａ１６を引っ張って張力が発生し、この張力が曲げ反作用弾力に変換され、リーフスプリングａ１０の曲げ反作用弾力と結集するようになる。

複合弾性体ａ１−１の最上部ブロックには張力調節モータａ４−１が設置され、張力調節モータは、張力調節ネジａ１７と張力調節ナットａ１８を介して張力調節用コイルスプリングａ１６に連結される。外部動力で張力調節モータａ４−１を作動すると、事前設定された値にリーフスプリングａ１０を引っ張り、この引っ張り力は、ブロック構造による固定軸Ｓ１、変動軸Ｓ２の長さ変化による曲げ反発力に変化され、この反発力は、複合弾性体ａ１−１の反発力と加えられて身体を伸びる時に上体を持ち上げる力をより大きくする。

図３乃至図６において、

リーフコイル弾性体ａ１のブロックａ１１に多様な弧の形状で付着されるクッションａ１４または複合弾性体ａ１−１のコイル部ａ９に付着される指圧突起ａ６は、腰部位に位置し、リーフコイル弾性体ａ１または複合弾性体ａ１−１の曲げ時、支え点として作用して腰を圧迫して指圧効果を上げ、長時間腰をかがめる時にも腰推が後に押されることを抑制して腰の損傷を減らす。

産業上利用可能性

ウェアラブルロボットの腰部分に適用して、作業者、医療的患者などの屈伸能力を高めるのに使用可能である。

（付記）
（付記１）
曲げ反発力、回転反発力及び引っ張り反発力を利用することができるように人体背部の屈曲に従うように設計されたリーフコイル弾性体と、胴部の上下部に着用ベルトで着用し、曲げ反発力がある上下部フレームと、下部フレームの弾性及び固定性を補完する延長フレームと、リーフコイル弾性体の復帰を外部動力で強制するテンショニング（ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ）装置と、で構成され、身体の曲げ角度に比例して増加するスプリングの反発力を利用して人体屈伸によるエネルギーを再利用し、外部動力でリーフコイル弾性体の復帰力を増加させることで、人体負荷を軽減させたり屈伸能力を向上させたりすることを特徴とする人体屈伸補助装置。
（付記２）
身体の屈伸によってリーフコイル弾性体のコイル部が支え点として作用して腰を前方向に圧力を加える時、指圧突起が脊椎の両側面を指圧し、弾性体と脊椎との間にクッション作用をすることを特徴とする付記１に記載の人体屈伸補助装置（図３参照）。
（付記３）
人体背部の屈曲面を基準にする長さ固定軸Ｓ１と、人体背部と弾性体との間に存在する無限変動軸Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４...との間の横方向距離により弾性体を曲げ、人体屈伸によって固定軸Ｓ１上の仮想点が支え点の役割をする原理を利用することを特徴とする付記１に記載の人体屈伸補助装置（図４参照）。
（付記４）
リーフコイル弾性体形状が人体屈伸により変わる時、位置の変化が大きい多数の点を選択してその点間の距離を外部動力で強制制御することで、リーフコイル弾性体の復帰（曲げた状態で伸びる）時、外部の追加的な力が作用できるようにして性能を高めることを特徴とする付記１に記載の人体屈伸補助装置。
（付記５）
リーフスプリングの曲げ反発力とコイルスプリングの張力を結合して総曲げ反発力を調節することができ、人体背部の屈曲に合わせて曲げが可能なように多数のブロックで形成された複合弾性体と、胴部の上下部に着用ベルトで着用し、曲げ反発力がある上下部フレームと、下部フレームの弾性及び固定性を補完する延長フレームと、で構成され、身体の曲げ角度に比例して増加する複合弾性体の反発力を利用して人体屈伸によるエネルギーを再利用し、人体伸張時、外部動力で複合弾性体の復帰力を増加させることで、人体負荷を軽減させることを特徴とする人体屈伸補助装置（図５参照）。
（付記６）
複合弾性体の曲げ時、下部ブロックに固定された多様な形態のクッションが支え点として作用し、腰を前方向に圧力を加えて指圧効果を上げ、ユーザの身体背部形態によってクッションの形態を選択適用して着用感及び弾性体作用効率を高めることを特徴とする付記５に記載の人体屈伸補助装置。
（付記７）
二つの曲げ可能な軸Ｓ１、Ｓ２を形成し、コイルスプリングとコイルスプリング張力調節装置、リーフスプリングを含む長さ可変軸Ｓ２が曲げに対応して長さ変化を起こし、その長さ変化に比例して可変軸上の引っ張り力が増加し、その増加された引っ張り力が曲げ反発力として作用するように設計されることを特徴とする付記５に記載の人体屈伸補助装置。
（付記８）
身体を曲げる時、変わる位置エネルギーを電気的または機械的エネルギーで蓄積し、身体を伸びる時、再使用できるようにすることを特徴とする人体屈伸補助装置。
（付記９）
曲げ反発力が大きい高弾性の上下部フレームを着用ベルトと結合して使用し、屈伸時に人体と弾性体との間の距離が最小に維持されるようにして弾性体の作用を向上補助し、多数の放熱孔を介して人体運動による熱発散を助けることを特徴とする人体腰の屈伸補助装置。

Claims (2)

1. 曲げ反発力、回転反発力及び引っ張り反発力を利用することができるように人体背部の屈曲に従うように設計されたコイルスプリング化したコイル部を含むリーフコイル弾性体と、胴部の上部に着用ベルトで着用し、曲げ反発力がある上部フレームと、胴部の下部に着用ベルトで着用し、曲げ反発力がある下部フレームと、前記下部フレームの弾性及び固定性を補完する延長フレームと、前記リーフコイル弾性体の復帰を外部動力で強制するテンショニング装置と、で構成され、身体の曲げ角度に比例して増加するスプリングの反発力を利用して人体屈伸によるエネルギーを再利用し、外部動力で前記リーフコイル弾性体の復帰力を増加させることで、人体負荷を軽減させたり屈伸能力を向上させたりすることを特徴とする人体屈伸補助装置。
2. 身体の屈伸によって前記リーフコイル弾性体の前記コイル部のうち人体背部に向かう面に備えられ、着用時に脊椎の両側面を指圧し、前記リーフコイル弾性体と脊椎との間にクッション作用ができるように構成される複数の指圧突起を含むことを特徴とする請求項１に記載の人体屈伸補助装置。