JP6963656B2

JP6963656B2 - 引張バネ及び人体サポート装置

Info

Publication number: JP6963656B2
Application number: JP2020105112A
Authority: JP
Inventors: 宏小林
Original assignee: Innophys Co Ltd
Current assignee: Innophys Co Ltd
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: JP2020157099A

Description

本発明は、引張バネ及び人体サポート装置に関する。

下記特許文献１には、使用者の起き上がりを補助する装置（人体サポート装置）が開示されている。この文献に記載された装置は、使用者の背部側に配置される部材２と、部材２に取付けられていると共に使用者の上体を支持する部材３と、使用者の大腿部に沿って配置されると共に内部に引張バネ１１が格納された部材４と、を備えている。そして、部材２及び部材３が部材４に対して傾動されて、引張バネ１１が引張られることによって、使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力が生じるようになっている。

また、下記特許文献２には、使用者に装着されることにより、当該使用者の腰部を補助する腰部補助装置（人体サポート装置）が開示されている。この腰部補助装置は、使用者の腰部の側方側に配置される左右一対のサイド部に傾動可能に取付けられていると共に使用者の背部に装着される背中フレームを備えている。また、腰部補助装置は、左右一対のサイド部に傾動可能に取付けられていると共に使用者の大腿部に当接される大腿プレートが固定された下肢フレームを備えている。さらに、腰部補助装置は、一端部が背中フレームに係止されていると共に他端部がワイヤを介して下肢フレームに係止された人工筋肉を備えている。そして、コンプレッサやタンク内からチューブを介して人工筋肉内へ圧縮空気が供給されることで、人工筋肉が収縮する。これにより、使用者の上体に起立方向へのサポート力が加わり、重量物を持ち上げる際における使用者の腰部の負荷を低減することが可能となっている。

独国特許出願公開第１０２００４００８５０９（Ａ１）号明細書特開２０１３−７５０７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された人体サポート装置の一部を構成する引張バネ１１は金属製とされている。そのため、当該引張バネ１１を含んで構成された人体サポート装置の重量の増加を抑制することが難しい。

また、特許文献１及び特許文献２に記載された人体サポート装置のように使用者に装着されて使用される人体サポート装置では、使用者への負荷低減や取り扱いを容易にする等の観点から人体サポート装置の軽量化及び構成の簡素化が望まれている。

本発明は上記事実を考慮し、引張バネの軽量化を図ることを第１の目的とし、人体サポート装置の軽量化及び構成の簡素化を図ることを第２の目的とする。

請求項１記載の引張バネは、荷重が入力される荷重入力部と、内部にガスが封入される密閉空間を有し、前記荷重入力部が引張られることで該引張方向への寸法が増加されると共に前記密閉空間内の体積が減少され、該密閉空間内のガスが圧縮されることで前記引張方向とは反対方向への復元力を前記荷重入力部に生じさせるガス封入部と、を備えている。

請求項１記載の引張バネが引張られると、すなわち、荷重入力部が引張られると、ガス封入部が変形される。これにより、荷重入力部の引張方向へのガス封入部の寸法が増加される。また、引張方向へのガス封入部の寸法が増加されると、当該ガス封入部の引張方向と直交する方向への寸法が減少され、結果として当該ガス封入部の内部の体積が減少する。ここで、請求項１記載の引張バネでは、ガス封入部の内部が密閉空間とされているため、ガス封入部の内部の体積が減少すると、ガス封入部の内部のガスが圧縮される。これにより、引張方向とは反対方向への復元力が荷重入力部に生じる。ところで、請求項１記載の引張バネでは、金属等の固体に比べて単位体積当たりの質量が軽いガスを圧縮させることで、引張方向とは反対方向への復元力が荷重入力部に生じる。その結果、金属等の固体の変形により復元力が生じる引張バネに比べて引張バネの軽量化を図ることができる。

請求項２記載の引張バネは、請求項１記載の引張バネにおいて、前記ガス封入部は、前記引張方向への寸法が増加される際に該引張方向と直交する方向への寸法が減少される筒状のカバー部材に覆われている。

請求項２記載の引張バネが引張られると、ガス封入部が当該ガス封入部を覆うカバー部材と共に変形される。すなわち、引張方向へのガス封入部及びカバー部材の寸法が増加される。ここで、カバー部材の引張方向への寸法が増加されると、当該カバー部材の引張方向と直交する方向への寸法が減少される。これにより、ガス封入部がカバー部材によって押圧されて、ガス封入部の引張方向と直交する方向への寸法がより一層減少される。その結果、ガス封入部の引張方向への変形量に対するガス封入部内のガスの圧縮率を高めることができる。

請求項３記載の引張バネは、請求項１又は請求項２記載の引張バネにおいて、前記密閉
空間内に予め封入されるガスの量が調節可能とされている。

請求項３記載の引張バネによれば、ガス封入部内の密閉空間内に予め封入されるガスの量を調節することにより、引張バネの荷重入力部に生じる復元力を調節することができる。

請求項４記載の人体サポート装置は、使用者に装着される第１装着部及び第２装着部と、前記第１装着部と前記第２装着部との間に設けられ、前記第２装着部が前記第１装着部に対して一方側へ変位されることで引張られる請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の引張バネと、を備えている。

請求項４記載の人体サポート装置によれば、使用者において第２装着部が装着された部位が、第１装着部が装着された部位に対して動かされると、第１装着部と第２装着部との間に設けられた引張バネが引張られる。この引張バネの復元力が使用者において第２装着部が装着された部位に伝達されることで、使用者において第２装着部が装着された部位にサポート力が生じる。ここで、請求項４記載の本発明では、金属等の固体の変形により復元力が生じる引張バネに対して軽量化が図られた引張バネを用いて人体サポート装置を構成することで、当該人体サポート装置の軽量化を図ることができる。また、本実施形態では、引張バネの一部を構成するガス封入部内のガスが圧縮されることで、使用者にサポート力が生じるようになっている。すなわち、請求項４記載の本発明では、使用者にサポート力を生じさせるためにガス封入部内にガスを注入することが不要である。これにより、ガス封入部内にガスを注入するためのコンプレッサ、タンク及びチューブ等が不要となる。

請求項５記載の人体サポート装置は、請求項４記載の人体サポート装置において、前記第１装着部は、前記使用者の脚部に装着される脚部装着部とされていると共に、前記第２装着部は、前記使用者の上体に装着される上体装着部とされており、前記使用者が前傾することで、前記上体装着部が前記脚部装着部に対して変位される。

請求項５記載の人体サポート装置によれば、当該人体サポート装置を装着した使用者の上体が前傾すると、上体装着部と脚部装着部との間に設けられた引張バネが引張られる。この引張バネの復元力が上体装着部を介して使用者の上体に伝達されることで、使用者の上体にサポート力が生じる。

請求項１記載の引張バネは、当該引張バネの軽量化を図ることができる、という優れた効果を有する。

請求項２記載の引張バネは、当該引張バネの復元力を高めることができる、という優れた効果を有する。

請求項３記載の引張バネは、当該引張バネの復元力を調節することができる、という優れた効果を有する。

請求項４記載の人体サポート装置は、軽量化及び構成の簡素化を図ることができる、という優れた効果を有する。

請求項５記載の人体サポート装置は、重量物を持ち上げる際における使用者の腰部の負荷を低減することができる、という優れた効果を有する。

腰部サポート装置を斜め前方側から見た斜視図である。腰部サポート装置を側方側から見た側面図である。（Ａ）は自然長の引張バネを示す側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示された状態の引張バネの弾性チューブ及びメッシュスリーブを模式的に示す模式図である。（Ａ）は引張試験機にセットされた自然長の引張バネを示す図であり、（Ｂ）は自然長に対して引張られた引張バネを示す図である。腰部サポート装置を装着した使用者が前傾した状態を示す側面図である。腰部サポート装置における使用者の前傾角度とサポートトルクとの関係を示すグラフである。

図１〜図４を用いて本発明の実施形態に係る腰部サポート装置について説明する。なお、腰部サポート装置を装着している状態でかつ直立した状態の使用者から見た前後方向前方側を矢印ＦＲで示し、右側及び左側をそれぞれ矢印ＲＨ及び矢印ＬＨで示し、上下方向上側を矢印ＵＰで示す。また、以下の説明で、単に前後、左右、上下の方向を示す場合は、腰部サポート装置を装着している状態でかつ直立した状態の使用者から見た前後、左右、上下を示すものとする。

図１及び図２に示されるように、人体サポート装置としての腰部サポート装置１０は、使用者の腰部の側方側に配置される左右一対のベース部１２と、ベース部１２に取付けられていると共に使用者の腰部に装着される腰部ベルト１４と、を備えている。また、腰部サポート装置１０は、使用者の大腿部に沿って配置されると共にベース部１２に傾動可能に取付けられた第１装着部及び脚部装着部としての大腿アーム１６と、使用者の上体に沿って配置されると共にベース部１２に傾動可能に取付けられた第２装着部及び上体装着部としての上体側フレーム１８と、を備えている。また、上体側フレーム１８には、引張バネ２０が取付けられている。

ベース部１２は、板状に形成された外側プレート２２及び内側プレート２４と、を含んで構成されている。外側プレート２２と内側プレート２４とは、側面視で（右側又は左側から見て）ほぼ同一の形状に形成されている。また、外側プレート２２と内側プレート２４とは、複数の接続ピン２６等を介して接続されている。これにより、外側プレート２２及び内側プレート２４とは、左右方向に所定の間隔を空けてかつ互いに平行に配置されている。

また、外側プレート２２と内側プレート２４との間には、第１プーリ２８及び第２プーリ３０が回転可能に設けられている。第１プーリ２８は、外側プレート２２及び内側プレート２４の下部側に左右方向を回転軸方向として取付けられている。この第１プーリ２８の回転軸は、使用者の股関節に対応する第１軸Ｃ１とされている。また、第１プーリ２８は、後述するワイヤ４８の一部が係止されるワイヤ係止部２８Ａと、後述する大腿アーム１６が取付けられる大腿アーム取付部２８Ｂと、を備えている。第２プーリ３０は、外側プレート２２及び内側プレート２４の上部側かつ第１プーリ２８の後方側に左右方向を回転軸方向として取付けられている。この第２プーリ３０の回転軸は、使用者の仙腸関節に対応する第２軸Ｃ２とされている。また、第２プーリ３０の外周部には、後述するワイヤ４８の長手方向の中間部をガイドするためのガイド溝３０Ａが形成されている。さらに第２プーリ３０は、後方側に向けて延出されていると共に、後述する上体側フレーム１８が取付けられる上体側フレーム取付部３０Ｂを備えている。

腰部ベルト１４は、使用者の上方側から見て前方側が開放された略Ｃ字状に形成されることにより使用者の腰部の後方側及び側方側に沿って配置される幅広パッド１４Ａを備えている。また、腰部ベルト１４は、幅広パッド１４Ａの左右方向の両端部からそれぞれ延出された前方延出部１４Ｂを備えている。そして、幅広パッド１４Ａ及び一対の前方延出部１４Ｂによって形成される環状の部分の周長が使用者の腰部回りの長さに調節された状態で、一方の前方延出部１４Ｂが他方の前方延出部１４Ｂに係止されることで、腰部ベルト１４が使用者の腰部に装着されるようになっている。

大腿アーム１６は、使用者の大腿部に沿って延びるアーム本体３２と、アーム本体３２に取付けられる腿パッド３４と、を含んで構成されている。アーム本体３２は、板状の部材に曲げ加工等が施されることによって形成されており、このアーム本体３２は、使用者の大腿部の側方側に配置される側方側延在部３２Ａと、側方側延在部３２Ａの下端側から使用者の大腿部の前方側に向けて延びる前方側延在部３２Ｂと、を備えている。図２に示されるように、側方側延在部３２Ａは、下方側に向かうにつれて前方側に傾斜されており、この側方側延在部３２Ａの上端部が、第１プーリ２８の大腿アーム取付部２８Ｂにヒンジ３６を介して取付けられることで、大腿アーム１６がベース部１２に対して第１軸Ｃ１を傾動（回動）軸として傾動可能に取付けられるようになっている。なお、本実施形態では、ヒンジ３６が左右方向に回動可能に構成されていることにより、大腿アーム１６がベース部１２に対して左右方向にも傾動可能になっている。

腿パッド３４は、使用者の大腿部の前方側の面に沿う湾曲形状とされており、この腿パッド３４は、アーム本体３２の前方側延在部３２Ｂに取付けられている。また、腿パッド３４は、アーム本体３２に対して左右方向を軸方向として所定の角度だけ回動可能とされている。これにより、腿パッド３４と使用者の大腿部の前方側の面との接触状態を所望の接触状態にすることができる。

図１及び図２に示されるように、上体側フレーム１８は、正面視で（使用者の正面側から見て）下方側が開放された略Ｕ字状（Ｖ字状）に形成されている。この上体側フレーム１８は、左右方向に間隔を空けて配置されていると共に内部に引張バネ２０が配置される引張バネ収容部３８Ａ（図２参照）を有する一対の引張バネ取付部３８と、一対の引張バネ取付部３８の上方側の部位を左右方向に繋ぐ接続部４０と、を有して構成されている。一対の引張バネ取付部３８は、正面視で上方側から下方側に向かうにつれて使用者の右側及び左側にそれぞれ傾斜されている。また、一対の引張バネ取付部３８には、使用者の上体に装着される上体装着ベルト４２が取付けられる上体装着ベルト取付部３８Ｂが設けられている。上体装着ベルト４２は、使用者の右肩に装着される右側装着ベルト４２Ｒと、使用者の左肩に装着される左側装着ベルト４２Ｌと、を含んで構成されており、右側装着ベルト４２Ｒ及び左側装着ベルト４２Ｌの長さはそれぞれ調整可能とされている。

また、一対の引張バネ取付部３８の下端部は、第２プーリ３０の上体側フレーム取付部３０Ｂに固定されている。これにより、上体側フレーム１８が、ベース部１２に対して第２軸Ｃ２を傾動（回動）軸として傾動可能になっている。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、引張バネ２０は、所謂ＭｃＫｉｂｂｅｎ型の人工筋肉と同様に構成されている。この引張バネ２０の長手方向一方側の端部は、上体側フレーム１８の引張バネ取付部３８（図２参照）の上端部に係止されるフレーム係止部２０Ａとされており、引張バネ２０の長手方向他方側の端部は、後述するワイヤ４８（図２参照）が係止される荷重入力部としてのワイヤ係止部２０Ｂとされている。また、引張バネ２０は、ゴム等の弾性材料を用いて管状に形成されたガス封入部としての弾性チューブ４４と、弾性チューブ４４を覆うカバー部材としての筒状のメッシュスリーブ４６と、を含んで構成されている。

弾性チューブ４４は、内部にガス（空気）が封入される密閉空間を有しており、この弾性チューブ４４は、フレーム係止部２０Ａとワイヤ係止部２０Ｂとの間に配置されている。この弾性チューブ４４の内部には、バルブ５０（図４（Ａ）参照）を介して空気を封入することが可能となっている。これにより、弾性チューブ４４内の密閉空間内に予め封入されるガスの量（ガスの質量）が調節可能となっている。

メッシュスリーブ４６は、例えば伸縮性の小さい高張力繊維等の線材が織り上げられること等により形成されている。また、メッシュスリーブ４６の長さ（軸）方向の両端部は、フレーム係止部２０Ａ及びワイヤ係止部２０Ｂにそれぞれ固定されている。そして、図４（Ａ）に示された自然長の状態から図４（Ｂ）に示された状態まで引張バネ２０が引張られると（ワイヤ係止部２０Ｂがフレーム係止部２０Ａと離間する方向へ移動されると）、メッシュスリーブ４６の引張方向（矢印Ａ１方向）への寸法が増加されると共に当該引張方向と直交する方向（矢印Ｂ方向）への寸法が減少するようになっている。これにより、当該メッシュスリーブ４６内に配置された弾性チューブ４４の引張方向（矢印Ａ１方向）への寸法が増加されると共に当該引張方向と直交する方向（矢印Ｂ方向）への寸法が減少されるようになっている。その結果、弾性チューブ４４内の密閉空間内の体積が減少されて、当該密閉空間内のガスが圧縮される。これにより、引張方向とは反対方向（矢印Ａ２方向）への復元力がワイヤ係止部２０Ｂに生じるようになっている。なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示された引張試験においては、自然長及び引張られた状態におけるフレーム係止部２０Ａとワイヤ係止部２０Ｂとの間の長さＬは、それぞれ２２８ｍｍ及び２４６ｍｍである。また、自然長及び引張られた状態における弾性チューブ４４の長手方向の中央部の外径Ｄは、３６ｍｍ及び２２ｍｍである。ここで、弾性チューブ４４とメッシュスリーブ４６とは密着されているため、弾性チューブ４４の外径とメッシュスリーブ４６の外径とは一致するものと仮定している。そして、本試験においては、図４（Ａ）に示された自然長の状態から図４（Ｂ）に示された状態まで引張バネ２０が引張られることで、弾性チューブ４４内の密閉空間内の体積が約６０パーセントほど減少されている。

また、本実施形態の腰部サポート装置１０は、以上説明した４本又は２本の引張バネ２０を備えている。そして、４本の引張バネ２０を備えた構成では、一対の引張バネ取付部３８（図１参照）内にそれぞれ２本ずつの引張バネ２０が設けられている。また、２本の引張バネ２０を備えた構成では、一対の引張バネ取付部３８（図１参照）内にそれぞれ１本ずつの引張バネ２０が設けられている。

図２に示されるように、上体側フレーム１８の引張バネ収容部３８Ａ内に配置された引張バネ２０の下端部（ワイヤ係止部２０Ｂ）には、ワイヤ４８の一端部が係止されている。また、ワイヤ４８は、上体側フレーム１８下端側から導出されており、さらにワイヤ４８の他端部は、第１プーリ２８のワイヤ係止部２８Ａに係止されている。

（本実施形態の作用並びに効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。

図５に示されるように、本実施形態では、腰部ベルト１４、上体装着ベルト４２及び大腿アーム１６が使用者Ｐの腰部Ｐ１、上体Ｐ２及び大腿部１６にそれぞれ装着されることで、腰部サポート装置１０が使用者Ｐに装着される。

また、使用者Ｐが床面５２に置かれた重量物５４を持ち上げるために、使用者Ｐが前傾すると、大腿アーム１６を支点として上体側フレーム１８が前方側に向けて傾動される。その結果、引張バネ２０が引張られる。そして、この引張バネ２０のワイヤ係止部２０Ｂに生じる復元力が上体側フレーム１８を介して使用者Ｐの上体Ｐ２に伝達されることで、前傾した使用者Ｐの上体Ｐ２を引き起こす方向へのサポート力が生じる。これにより、使用者Ｐが床面５２に置かれた重量物５４を持ち上げる際に当該使用者Ｐの腰部Ｐ１に生じる負荷を低減することができる。

ここで、図６には、使用者Ｐの前傾角度θとサポートトルクＴとの関係を示すグラフが示されている。なお、使用者Ｐの前傾角度θとは、当該使用者Ｐを側方側から見て床面５２と上体側フレーム１８が延在する方向とのなす角度のことであり、サポートトルクＴとは、上体側フレーム１８に生じる第２軸Ｃ２（図２参照）回りのトルクのことである。

４本の引張バネ２０を備えた腰部サポート装置１０においては、使用者Ｐが直立している状態で（前傾角度θが１２０°の状態で）、引張バネ２０の弾性チューブ４４内の圧力を０．０８ＭＰａに設定すると、符号Ｔ１で示された特性線に示されるように、前傾角度が０°の時に約１００Ｎｍのサポートトルクが得られる。

また、２本の引張バネ２０を備えた腰部サポート装置１０においては、使用者Ｐが直立している状態で（前傾角度θが１２０°の状態で）、引張バネ２０の弾性チューブ４４内の圧力を０．２ＭＰａに設定すると、符号Ｔ２で示された特性線に示されるように、前傾角度が０°の時に約１００Ｎｍのサポートトルクが得られる。このように、引張バネ２０の本数や当該引張バネ２０の弾性チューブ４４内に封入される空気の圧力は、使用者Ｐが持ち上げる重量物５４の重量や使用者Ｐが前傾する際の抵抗等を考慮して適宜設定すればよい。

なお、符号Ｔ３で示された特性線は、４本の引張バネ２０を備えた腰部サポート装置１０において、外部から引張バネ２０の弾性チューブ４４内に空気を供給することにより、当該弾性チューブ４４内の圧力を０．３ＭＰａに保った場合における特性線である。
また、符号Ｔ４で示された特性線は、２本の引張バネ２０を備えた腰部サポート装置１０において、弾性チューブ４４内の圧力を０．５ＭＰａに保った場合における特性線である。

また、本実施形態の腰部サポート装置１０の一部を構成する引張バネ２０は、金属等の固体に比べて単位体積当たりの質量が軽い空気を圧縮させることで、引張方向とは反対方向への復元力がワイヤ係止部２０Ｂに生じる。その結果、金属等の固体の変形により復元力が生じる引張バネに比べて引張バネ２０の軽量化を図ることができると共に、当該引張バネ２０を含んで構成された腰部サポート装置１０の軽量化を図ることができる。

また、本実施形態では、復元力をワイヤ係止部２０Ｂに生じさせるために、すなわち、使用者Ｐの上体Ｐ２にサポート力を生じさせるために、引張バネ２０の弾性チューブ４４内に空気を注入することが不要である。これにより、弾性チューブ４４内にガスを注入するためのコンプレッサ、タンク及びチューブ等が不要となる。その結果、腰部サポート装置１０の構成の簡素化を図ることができる。

なお、本実施形態では、弾性チューブ４４がメッシュスリーブ４６に覆われているタイプの引張バネ２０を用いて腰部サポート装置１０を構成した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、弾性チューブ４４の長手方向の両端部にワイヤ係止部２０Ｂ及びフレーム係止部２０Ａをそれぞれ結合したタイプの引張バネとしてもよい。このように、弾性チューブ４４を設けるか否かについては、引張バネが引張られた際の弾性チューブ４４内の空気の圧縮率や引張バネの引張強度等を考慮して、適宜設定すればよい。

また、本実施形態では、引張バネ２０を用いて腰部サポート装置１０を構成した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、使用者の腿上げ、腕上げ、寝ている状態からの起き上がり等をサポートする人体サポート装置に本発明を適用することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

１０腰部サポート装置（人体サポート装置）
２０Ｂワイヤ係止部２０Ｂ（荷重入力部）
４４弾性チューブ（ガス封入部）
４６メッシュスリーブ（カバー部材）１０腰部サポート装置
１６大腿アーム（第１装着部及び脚部装着部）
１８上体側フレーム（第２装着部及び上体装着部）

Claims

荷重が入力される荷重入力部と、
内部にガスが封入される密閉空間を有し、前記荷重入力部が引張られることで引張方向への寸法が増加されると共に前記密閉空間内の体積が減少され、該密閉空間内に閉じ込められた一定質量のガスが圧縮されて圧力が高められることで前記引張方向とは反対方向への復元力を前記荷重入力部に生じさせるガス封入部と、
を有し、
前記ガス封入部は、前記引張方向への寸法が増加される際に該引張方向と直交する方向への寸法が減少される筒状のカバー部材に覆われており、
前記カバー部材の長さ方向の両端部は、前記荷重入力部にそれぞれ固定され、前記ガス封入部の長手方向の両端部は、前記荷重入力部にそれぞれ結合され、
前記ガス封入部の両端が互いに離れる側へ引っ張られることで、引張方向と直交する方向への前記ガス封入部の寸法が全体にわたって小さくなり体積が減少して閉じ込められた一定質量のガスが圧縮されて圧力が高められることで前記復元力が生じる引張バネ。
前記密閉空間内に予め封入されるガスの量が調節可能とされている請求項１記載の引張バネ。