JP7036916B2 - 肩に適応した外骨格構造 - Google Patents

Description

本発明は、外骨格構造に関する。

力補助外骨格は、人間の骨格の構造を複製し、且つ人体の身体的能力を改善することを可能にする機械的構造である。

力補助外骨格には、ユーザにより実行されるタスクに依存するさまざまなタイプがある。各タイプの外骨格は、特定のタスクの実行中にユーザによって供給される力を制限または低減することを可能にする。

例えば、特に荷物の持ち上げおよび取り扱いのために、肩の移動を必要とする作業をユーザが遂行するときに、ユーザが補助されることを可能にする外骨格構造が存在する。

しかしながら、これらの構造は、一般に、肩の全ての動きに適応することができない。
例えば、これらの構造は、アームの屈曲および伸展動作を可能にするが、アームの外転および内転動作を可能にしない。

しかし、肩複合体は６つの累積自由度（肩甲骨の動きとそのような肩の動きを合わせたもの）を持つ複合関節システムである。

他の構造（複数）も提案されており、それらの構造は、肩の動きをより良く再現することができる。しかしながら、これらの構造は、一般に、かなりの大きさを有し、ユーザの移動性を妨げる。

さらに、これらの構造におけるいくつかのアクチュエータの一体化は、構造の質量の増大と構造のエネルギー消費量の増大を引き起こす。

最後に、ショルダーの特定の一連の動作の間に、特定の外骨格構造が、構造のブロッキングを引き起こす「特異点」と呼ばれる構成を通過し得ることに留意されたい。
構造物のブロッキングは、構造物の回動軸のうちの２つが互いに整列した構成で生じる自由度の損失である。これらのブロッキング状態は、ユーザの動きにおいてユーザを自由にする特異点を生じさせた一連の動きの逆を最小限で実行することを必要とし、外骨格構造を損傷し、ユーザに不快感をもたらすことさえある。

本発明の１つの目的は、依然としてコンパクトでありながら、肩の動作のより大きな自由度を提供する外骨格構造を提案することである。

この目的は、本発明の範囲内で、以下を含む外骨格構造によって達成される：すなわち、
外骨格構造は、
－ ユーザの背中に取り付けられるように意図された背面アセンブリと、
－ ユーザの腕に取り付けられるように意図されたアームアセンブリと、
－ 背面アセンブリをアームアッセンブリに接続する肩接続装置と、を備え、肩接続装置は、第１の接続部と、第１の回動部であって、背面アセンブリに第１の接続部を接続する一方で、ユーザの肩の内／外回動軸に平行な第１の回動軸のまわりに背面アセンブリに対して第１の接続部の回転を可能にする、第１の回動部と、第２の接続部と、第２の回動部であって、第２の接続部に第１の接続部を接続する一方で、第１の回転軸に直交する第２の回転軸のまわりに第１の接続部に対して第２の接続部の回転を可能とする、第２の回動部と、第３の回動部であって、アームアセンブリに第２の接続部を接続する一方で、第２の回転軸に直交する第３回転軸のまわりに第２の接続部に対してアームアセンブリの回転を可能にする、第３の回動部と、を備え、
ユーザが立っており、腕が身体に沿って弛緩されているときに、第２の回動軸が、ユーザの肩の外転／内転軸と非ゼロの角度を形成するように、且つユーザの肩の屈曲／伸展軸と非ゼロの角度を形成するように、第２の回動部は配置される。

このタイプの構造では、第２の回動軸は、ユーザの肩の外転／内転軸と、ユーザの肩の屈曲／伸展軸との両方と、非ゼロの角度を形成する。したがって、単一のアクチュエータが、肩の外転／内転動作中、および肩の屈曲／伸展動作中の両方でユーザを補助することを可能にする構造を設計することが可能であり、これは、構造の質量およびそのエネルギー消費量を低減することを可能にする。

さらに、第２の回動軸のこの構成では、ユーザは、例えば、肩の屈曲動作、次いで肩甲骨の内転、次いで、接続デバイスを特異点を通過させることなく、肩の伸展動作を連続的に達成することができ、これにより、ブロッキング状態の生成が回避される。

提案された構造はまた、以下の特徴を有することができる：すなわち、
－ 第３の回動部は、ユーザが立っており、腕が身体に沿って弛緩されているときに、第３の回転軸が第１の回転軸に直交しているように、配置される、
－ 構造体は、ステータおよびステータに対して回転するように取り付けられたロータを含むアクチュエータを備え、ステータおよびロータの一方は、第１の接続部に固定されて取り付けられ、ステータおよびロータの他方は、第２の接続部に固定されて取り付けられ、アクチュエータは、第１の接続部に対して第２の接続部を回転させて駆動するようにトルクを発生させることができる、
－ アームアセンブリは、アクチュエータによりユーザの背面に対してユーザの腕を回転して駆動するように、ユーザの腕に支持されることができるアーム部を備える、
－ アームアセンブリは、第１のアーム部および第２のアーム部を備え、第１のアーム部は、ユーザの腕に第１のアーム部を取り付けるようにユーザの腕を取り囲むことができ、第２のアーム部は、第１のアーム部に対して回転するように取り付けられている一方で、アクチュエータによってアームを回転させて駆動するように、ユーザの腕に第１のアーム部をさらに支持することが可能である、
－ アームアセンブリは、第３の接続部および第４の回動部を備え、第３の接続部は、第３の回動部によって肩接続装置に接続される第１の端部と、第４の回動部によってアーム部に接続される第２の端部とを有する、
－ 第４の回動部は、第３の回動軸に平行な第４の回動軸のまわりに、第３の接続部に対してアーム部の回転を可能にする、
－ 第３の接続部は、滑動部（ｒｕｎｎｅｒ）によって互いに対して摺動するように取り付けられる２つの部品を含み、これらの部品が互いに摺動することにより、背面に対してアームアセンブリの回転中、第３の接続部を短縮又は伸長するようにすることを可能にする、
－ アームアセンブリは、ユーザの腕にユーザのアームアセンブリを取り付けるようにユーザの前腕を取り囲むことができる前アーム部を備える一方で、さらに肩部の内／外回転動作中に前アーム部の内側にユーザの腕を回転可能にする、
－ アームアセンブリは、前アーム部をアーム部に連結し且つユーザの肘の回転中にアーム部に対する前アーム部の回転を可能にする、第５の回動部を備える、
－ 接続装置は、背部アセンブリを第１の回動部に連結する４本棒機構を備え、４本棒機構は、４本の棒と、変形可能な平行四辺形を形成することによって棒を相互に連結する４本のヒンジとを備える、
－ ４本棒機構の各ヒンジは、回動軸を有し、各回動軸は、ユーザの前頭平面に直交する方向に平行に延びる、
－ 接続装置は、平行四辺形の変形に対向する傾向の戻り力を発揮することができる弾性戻り部材を備える。

他の特徴および利点はまた、以下の説明によって明らかにされ、以下の説明は、純粋に例示的であり、限定的ではなく、添付の図面を参照して読まれなければならない。

本発明の１つの可能な実施形態に従う外骨格構造を概略的に示し、ユーザが立っており、腕が身体に沿って弛緩している構成を示す図である。 肩の屈曲動作を実行した後に、ユーザが立っており、腕が前方に伸びている構成の外骨格構造を概略的に示す図である。 肩の屈曲動作、次いで肩の外転動作を連続的に実行した後に、ユーザが立っており、腕が横に伸びている構成の外骨格構造を概略的に示す図である。 ユーザの肘の屈曲動作時の外骨格構造を模式的に示す図である。 図１～４の外骨格構造の変形例を概略的に示す図である。

図１は、ユーザの前頭平面Ｆ、矢状面Ｓ、および横断面Ｔを図示する。周知の方法では、矢状面Ｓは、ユーザの身体の右半分から左半分を分離する正中面に平行な面として定義される。前頭平面Ｆまたは冠状面は、正中面に垂直な面として定義され、身体を前部または腹部、および、後部または背部に分離する。横断面Ｔ又は横断面は、中央面に垂直であり、かつ、本体を上部（頭部に向かって）および下部（足部に向かって）に分離する面として定義される。

図１において、ユーザは立っており、腕は身体に沿って弛緩している。
ユーザは、肩の動きを補助することを可能にする外骨格構造１を装備している。

外骨格構造１は、通常の使用において、ユーザの背中に取り付けられる背部アセンブリ２と、ユーザの腕に取り付けられるアームアセンブリ３と、背部アセンブリ２をアームアセンブリ３に接続する肩接続装置４と、を含む。

背部アセンブリ２は、例えば、ユーザの下半身を取り囲むベルト５と、腰部ベルト５に取り付けられ、ユーザの脊柱に沿って延びる背部６とを含む。

アームアセンブリ３は、ユーザの腕に対して支持されることが可能なアーム部７と、ユーザの腕にアームアセンブリ３を取り付けるように、ユーザの前腕を取り囲むことが可能な前アーム部８とを備える。

肩接続装置４は、４本棒機構９、第１の回動部１０、第１の接続部１１、第２の回動部１２、第２の接続部１３、第３の回動部１４および第３の接続部１５を備える。

４本棒機構９は、バックアセンブリ２を第１の回動部１０に接続する。４本棒機構９は、変形可能な平行四辺形を形成する一方で、バー１６と、それらのバー１６を互いに連結する４つのヒンジ１７とを備える。４本棒機構９の各ヒンジ１７は、回動軸を有し、各回動軸は、通常の使用において、ユーザの前頭平面Ｆに直交する方向に平行に延びる。

肩接続装置９は、また、肩接続装置４の重さおよびアームアセンブリ３の重さによって生じる平行四辺形の変形に対抗する傾向の戻り力を４本棒機構９に加えることができる弾性戻り部材２８を備える。より正確には、弾性復帰部材２８は、平行四辺形の２つの対向する頂点に位置する２つのヒンジの間に延在するばねを備える。図１に示す例では、ばねは、矢状面に最も近い上頂点に位置するヒンジ２８のうちの１つを、矢状面から最も離れた下頂点に位置するヒンジ２８のうちの別の１つに接続する引張ばねである。したがって、引張ばねによって加えられる戻り力は、肩接続装置およびアームアセンブリによって加えられる重量を補償するように、アームアセンブリを背中アセンブリ２に対して上方に引っ張る傾向がある。弾性復帰部材２８の剛性は、補償すべき重量に応じて調整することができる。

第１の回動部１０は、第１の接続部を４本棒機構９に接続する。第１の回動部１０は、ユーザの肩の内部／外部回動軸に平行な第１の回動軸Ｘ１のまわりで、第１の接続部１１の背部アセンブリ２に対する回転を可能にする。

第２の回動部１２は、第１の接続部１１を第２の接続部１３に接続する。第２の回動部１２は、第１の回動軸Ｘ１に直交する第２の回動軸Ｘ２のまわりで第１の接続部１１に対する第２の接続部１３の回転を可能にする。

図１に示すように、第２の回動部１２は、ユーザが立っており、腕が身体に沿って弛緩されているときに、第２の回動軸Ｘ２が、ユーザの肩の外転／内転軸と非ゼロの角度を形成するように、且つユーザの肩の屈曲／伸展軸と非ゼロの角度を形成するように、配置されている。

第３の回動部１４は、第２の接続部１３を第３の接続部１５に接続する。第３の回動部は、第２の回動軸Ｘ２に直交する第３の回動軸Ｘ３のまわりに、第２の接続部１３に対するアームアセンブリ３の回転を可能にする。

第３の回動部１４は、ユーザが立っており、腕が身体に沿って弛緩されているときに、第３の回動軸Ｘ３が第１の回動軸Ｘ１に直交し且つ第２の回動軸Ｘ２に直交するように、配置されている。さらに、第３の回動軸Ｘ３は、ユーザが立っており、腕が身体に沿って弛緩されているときに、ユーザの肩の外転／内転軸と非ゼロの角度を形成し、且つユーザの肩の屈曲／伸展軸と非ゼロの角度を形成する。

第１の回動部１０により、第２の回動部１２および第３の回動部１４において、接続装置４は、３つの自由度を有する、バックアセンブリ８に対するアームアセンブリ３の回転を可能にする。

また、外骨格構造１は、ステータ１９と、ステータ１９に対して回転するように取り付けられたロータ２０とを含むアクチュエータ１８を備える。ステータ１９は、例えば第１の接続部１１に固定されて取り付けられ、ロータ２０は、例えば第２の接続部１３に固定されて取り付けられる。アクチュエータ１８は、第１の接続部１１に対して第２の接続部１３を回転させて駆動するトルクを発生することができる。アクチュエータは、例えば、ブラシレスまたはギアモータイプの電動モータを備えることができる。

ユーザの肩の外転／内転および／またはユーザの肩の屈曲／伸展動作中にユーザの腕を補助するように、すなわち、肩の動作を生成するように、ユーザによって生成される力に加えられる追加の力を提供するように、アクチュエータ１８は作動させることができる。

アームアセンブリ３はまた、第４の回動部２１を備える。第４の回動部２１は、第３の連結部１５をアーム部７に連結する。第４の回動部２１は、第３の回動軸Ｘ３に平行な第４の回動軸Ｘ４のまわりに、第３の接続部１５に対するアーム部７の回転を可能にする。

第３の連結部１５は、第３の回動部１４により第２の端が、第２連結部１３に連結され、第４の回動部２１により第２の端が、アーム部７に連結されている。

さらに、第３の接続部１５は、滑動部によって互いに摺動するように取り付けられた２つの部品２２，２３を備える。部品２２および２３の互いに対する軸方向の摺動は、背部アセンブリ２に対するアームアセンブリ３の回転中に、第３の接続部１５の短縮または伸長を可能にし、これは、回動軸Ｘ１、Ｘ２、およびＸ３の、ユーザの肩の実際の回転中心との不整合に適応することを可能にする。

更に、部品２３は、部品２２に対する部品２３の摺動軸のまわりに、部品２２に対して回転されるよう取り付けられている。

最後に、前アーム部８は、肩の内／外回転動作中に前アーム部８の内側に肩の回転を可能にする。

図２は、ユーザが立っており、腕が前方に伸びているときの肩の屈曲動作を実行した後の外骨格構造１を概略的に示している。

肩部の屈曲動作は、第２の回動軸Ｘ２のまわりの第１の接続部１１に対する第２の接続部１３の回転と、第３の回動軸Ｘ３のまわりの第２の接続部１３に対する第３の接続部１５の回転の両方を引き起こす。

屈曲動作は、アクチュエータ１８の作動によって補助されることができる。実際に、アクチュエータ１８は、作動時に、第１の連結部１１に対して第２の連結部１３を回転させて駆動する傾向にあるトルクを発生させ、その結果、肩の屈曲動作の間、腕を補助するように、ユーザの腕上のアーム７を支持する。ユーザの腕をアクチュエータ１８によってユーザの肩甲骨に対して屈曲または伸展させるように、ユーザの腕に対してアーム部７は支持される。

図２に示すように、ユーザの腕が水平方向に前方に伸びると、第１の回動軸Ｘ１は、第３の回動軸Ｘ３と平行に位置決めされる。

図３は、肩の屈曲動作および肩の外転動作を連続的に実行した後に、ユーザが立っており、腕が横に伸びているときの外骨格構造を概略的に示す。

肩の外転動作は、第１の回動軸Ｘ１のまわりに第１の接続部１１に対する第２の接続部１３の回転と、第３の回動軸Ｘ３を中心とする第２の接続部１３に対する第３の接続部１５の回転との両方を引き起こす。

外転動作は、アクチュエータ１８によって補助されることができる。実際、アクチュエータ１８は、作動されると、第１の接続部１１に対して第２の接続部１３を回転させて駆動し、その結果、アーム部７をユーザの腕上で支持して腕を回転させて駆動する傾向のあるトルクを発生する。アクチュエータ１８によって、ユーザの肩甲骨に対して外転または内転する際にユーザの腕を駆動するように、ユーザの腕に対して、アーム部７は支持される。

したがって、アクチュエータ１８は、肩の屈曲／伸展動作の間、および肩の外転／内転動作の間の両方で、ユーザを補助する役割を果たす。

加えて、図３に示すように、ユーザの腕が一旦水平に側面に延ばされると、第１の回動軸Ｘ１、第２の回動軸Ｘ２および第３の回動軸Ｘ３は、２つずつ整列されない。接続装置４は、外骨格構造１のブロッキングを引き起こす可能性のある特異点を通過することを回避する。さらに、アクチュエータの有効性は保持される。

図４に示すように、アームアセンブリ３はまた、前アーム部８をアーム部７に連結する第５の回動部２７を含む。第５の回動部は、ユーザの肘の回転中に、第５の回動軸Ｘ５のまわりのアーム部７に対する前アーム部８の回転を可能にする。より正確には、第５の回動部２７は、ユーザの肘の屈曲または伸展動作中に、第５の回動軸Ｘ５のまわりのアーム部７に対する前アーム部８の回転を可能にする。

また、外骨格構造は、ステータ２５と、ステータ２５に対して回転するように取り付けられたロータ２６とを含む第２のアクチュエータ２４をも備えることができる。ステータ２５は、例えばアーム部７に固定されて取り付けられ、ロータは、例えば前アーム部８に固定されて取り付けられる。アクチュエータ２４は、アーム部７に対して前アーム部８を回転させて駆動するトルクを発生することができる。アクチュエータ２４は、例えば、ブラシレスまたはギアモータイプの電動モータを備えることができる。

ユーザの肘の屈曲／伸展動作中にユーザの腕を補助するように、すなわち、肘の動作を生成するようにユーザによって生成される力に追加される追加の力を提供するように、アクチュエータ２４は作動され得る。

図５は、図１～４の外骨格構造の変形形態を示す。図５に示す外骨格構造は、アームアセンブリ３を除いて、図１～４に示す外骨格構造と同一である。

この変形形態では、アームアセンブリ３は、アセンブリ３をユーザの腕に取り付けるようにユーザの腕を取り囲むことができる第１のアーム部品３１と、第１のアーム部品３２に対してするよう取り付けられる第２のアーム部品３２と、を備える。より正確には、図５に示す例では、第２のアーム部３２は、第１のアーム部３１を取り囲む一方で、第２のアーム部３２に対する第１のアーム部３１の回転（従って、ユーザの腕の回転）を許容する。

第３の回動部１４は、第４の回動部２１によって第３の連結部１５をアーム部７に連結する。

図５に示す例では、アームアセンブリ３は前アーム部８を備えていない。しかしながら、アームアセンブリは、図１～図４に示すように、第５の回動部２７によって第２のアーム部３２に接続された前アーム部８を含むこともできる。

Claims (12)

1. 外骨格構造（１）であって、外骨格構造は、
   － ユーザの背中に取り付けることを意図した背部アセンブリ（２）と、
   － ユーザの腕に取り付けることを意図したアームアセンブリ（３）と、
   － 背部アセンブリ（２）をアームアセンブリ（３）に接続する肩接続装置（４）と、を備え、肩接続装置（４）は、第１の接続部（１１）と、第１の回動部（１０）であって、背部アセンブリ（２）に第１の接続部（１１）を接続する一方で、ユーザの肩の内／外回動軸に平行な第１の回動軸（Ｘ１）のまわりの背部アセンブリ（２）に対する第１の接続部（１１）の回転を可能にする第１の回動部（１０）と、第２の接続部（１３）と、第２の回動部（１２）であって、第２の接続部（１３）に第１の接続部（１１）を接続する一方で、第１の回動軸（Ｘ１）とねじれの関係にある第２の回動軸であって当該第１の回動軸に投影的にみて直交する当該第２の回動軸（Ｘ２）のまわりで第１の接続部（１１）に対する第２の接続部（１３）の回転を可能とする第２の回動部（１２）と、第３の回動部（１４）であって、第２の接続部（１３）をアームアセンブリ（３）に接続する一方で、第２の回動軸（Ｘ２）とねじれの関係にある第３の回動軸であって当該第２の回動軸に投影的にみて直交する当該第３の回動軸（Ｘ３）のまわりで第２の接続部（１３）に対するアームアセンブリ（３）の回転を可能にする第３の回動部（１４）と、を備え、
   ステータ（１９）と、ステータ（１９）に対して回転するように取り付けられたロータ（２０）とを含むアクチュエータ（１８）を備え、ステータおよびロータの一方が、第１の接続部（１１）に固定されて取付けられ、ステータおよびロータの他方が、第２の接続部（１３）に固定されて取り付けられ、アクチュエータ（１８）は、第１の接続部（１１）に対して第２の接続部（１３）を回転させて駆動するように、トルクを生成することができ、
   ユーザが立っており、腕が身体に沿って弛緩されているときに、第２の回動軸（Ｘ２）が、ユーザの肩の外転／内転軸と平行ではなく、且つ、ユーザの肩の屈曲／伸展軸とも平行ではないように、第２の回動部（１２）が配置されており、アクチュエータ（１８）により生成されたトルクで、ユーザの肩の外転／内転動作、およびユーザの肩の屈曲／伸展動作の両方が補助される、外骨格構造（１）。
2. 第３の回動部（１４）が、ユーザが立っており、腕が身体に沿って弛緩するときに、第３の回動軸（Ｘ３）が第１の回動軸（Ｘ１）に直交するように配置され、請求項１に記載の構造。
3. アームアセンブリ（３）が、アクチュエータ（１８）によってアームを回転させて駆動するように、ユーザの腕に対して支持されることが可能なアーム部（７）を備える、請求項１および２のいずれか一項に記載の構造。
4. アームアセンブリ（３）が、第１のアーム部（３１）および第２のアーム部（３２）を備え、第１のアーム部（３１）が、ユーザの腕に第１のアーム部（３１）を取り付けるようにユーザの腕を取り囲むことができ、第２のアーム部（３２）が、第２のアーム部（３２）に対するユーザの腕の回転を可能にするように、第１のアーム部（３１）に対して回転するように取り付けられる一方で、アクチュエータ（１８）によってアームを回転させて駆動することができるように、ユーザの腕に対して第１のアーム部（３１）をさらに支持することができる、請求項１および２のいずれか一項に記載の構造。
5. アームアセンブリ（３）が、第３の連結部（１５）と第４の回動部（２１）とを備え、第３の連結部（１５）は、第３の回動部（１４）によって肩接続装置（４）に連結された第１の端部と、第４の回動部（２１）によって、アーム部（７、３２）に連結された第２の端部とを有する、請求項３および４のいずれか一項に記載の構造。
6. 第４の回動部（２１）が、第３の回動軸（Ｘ３）に平行な第４の回動軸（Ｘ４）のまわりで、第３の接続部（１５）に対するアーム部（７、３１、３２）の回転を可能にする、請求項５に記載の構造。
7. 第３の接続部（１５）が、滑動部によって互いに対して摺動するように取り付けられた２つの部品（２２、２３）を含み、部品（２２、２３）が互いに対して摺動することにより、アームアセンブリ（３）が背面アセンブリ（２）に対して回転する間に、第３の接続部（１５）を短縮または伸長することができる、請求項５および６のいずれか一項に記載の構造。
8. アームアセンブリ（３）が、前アーム部（８）を含み、前アーム部（８）が、ユーザの腕にアームアセンブリ（３）を取り付けることができるように、ユーザの前腕を取り囲む一方で、肩の内－外回転動作中にユーザの腕を前アーム部（８）の内側に回転させることをさらに可能にする、請求項１から７のいずれか一項に記載の構造。
9. アームアセンブリ（３）が、前アーム部（８）をアーム部（７）に接続し、且つユーザの肘の回転中に第５の回動軸（Ｘ５）のまわりで、アーム部（７）に対して前アーム部（８）を回転することを可能とする、第５軸（２７）を備える、請求項８と組み合わせた請求項３から７のいずれか一項に記載の構造。
10. 肩接続装置（４）が、背部アセンブリ（２）を第１の回動部（１０）に接続する４本棒機構（９）を備え、４本棒機構（９）が、４本の棒（１６）と、変形可能な平行四辺形を形成することによって棒（１６）を互いに接続する４本のヒンジ（１７）とを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の構造。
11. ４本棒機構（９）の各ヒンジ（１７）は、回動軸を有し、各回動軸は、ユーザの前頭平面に直交する方向に平行に延在する、請求項１０に記載の構造。
12. 肩接続装置（４）が、平行四辺形の変形に対抗する傾向のある戻り力を発揮することができる弾性戻り部材（２８）も備える、請求項１０および１１のいずれか一項に記載の構造。

Images