JPWO2014061269A1 - 筋力補助具 - Google Patents

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幹夫 尾鷲
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友介 森野
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Abstract

従来の筋力補助具は、使用者が危険状況となったときに、危険状況を避けようとする使用者の動作を妨げる補助力を与えてしまう可能性があった。筋力補助具であって、伸長または収縮による補助力を用いて、使用者の筋力を補助する補助部と、予め定められた危険状況を検出する検出部と、検出部により前記危険状況が検出された場合に、補助部による補助力を低減、又は、解放、又はエネルギーの供給を停止させることによって補助力を解放させるべく制御する制御部とを備える。

Description

本発明は、筋力補助具に関する。
弾性部材等によってユーザの筋肉を補助する筋力補助具が知られている(例えば、特許文献1参照)。
[特許文献1]特開2003−153928号公報
このような筋力補助具は、使用者が危険状況となったときに、危険状況を避けようとする使用者の動作を妨げる補助力を与えてしまう可能性があった。
本発明の第一態様として、伸長または収縮による補助力を用いて、使用者の筋力を補助する補助部と、予め定められた危険状況を検出する検出部と、検出部により危険状況が検出された場合に、補助部による補助力を低減させるべく制御する制御部とを備える筋力補助具が提供される。
上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
使用者に装着された筋力補助具の背面模式図である。 使用者に装着された筋力補助具の側面模式図である。 連結具、および取付具の斜視図である。 制御ボックスの機能ブロック図である。 解除部の断面図である。 解除部の断面図である。 他の解放部の断面図である。 他の解放部の断面図である。 使用者に装着された別の筋力補助具の背面模式図である。 ポンプの断面図である。 低充填時の弾性部の模式図である。 高充填時の弾性部の模式図である。 使用者に装着された別の筋力補助具の側面模式図である。 靴の側面図である。 靴の動作を示す図である。 使用者に装着された別の筋力補助具の背面模式図である。 使用者に装着された別の筋力補助具の正面模式図である。 制御ボックスの機能ブロック図である。 筋力補助具の動作を示す図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、使用者100に装着された筋力補助具200を背面から見た模式図である。図1において、矢印で示す上下左右を筋力補助具200の上下左右方向とする。図2は、使用者に装着された筋力補助具200を側面から見た模式図である。図2において、矢印で示す上下前後を筋力補助具200の上下前後方向とする。
図1および図2において、筋力補助具200は、上装着部210および下装着部220を備える。上装着部210は、上側補助ベルト212と、下側補助ベルト252と、連結具214と、ジャケット部218と、制御ボックス300と、測定部310と、解除部340とを有する。上側補助ベルト212、下側補助ベルト252、連結具214および解除部340は、左右に一対設けられる。
下装着部220は、取付具222と、連結ベルト226と、固定ベルト228と、膝ベルト230と、踵ベルト232と、ズボン部234とを有する。取付具222、連結ベルト226、膝ベルト230および踵ベルト232は、左右に一対設けられる。
右の上側補助ベルト212は、ジャケット部218の外側であって右の肩の部分に摺動自在に取りつけられる。右の上側補助ベルト212の一端側は、使用者100の右の肩部と腋部に巻かれて装着され、当該肩部において右の上側補助ベルト212同士が面ファスナーで接合される。右の上側補助ベルト212の他端側は、解除部340により右の下側補助ベルト252の一端側に連結されている。
右の下側補助ベルト252は、使用者100の背中側において腰部まで延在している。右の下側補助ベルト252の他端側には、連結具214が設けられている。左の上側補助ベルト212および下側補助ベルト252も、使用者100の左側において同様の構成を有する。連結具214はそれぞれ、下装着部220において対応する取付具222と着脱自在に接続される。
これら上側補助ベルト212および下側補助ベルト252は、天然、または合成ゴム繊維を織り込んだ伸縮性の帯状の布を伸縮性の合成樹脂で被覆して形成されている。上側補助ベルト212および下側補助ベルト252は、伸長または収縮による補助力を用いて使用者100の腰部の筋力を補助する。上側補助ベルト212、および下側補助ベルト252は補助部の一例である。
ジャケット部218は、使用者100の上半身を覆う。ジャケット部218において、半そで、長そで、ノースリーブ等、腕の形態は特に限定されない。ジャケット部218の素材は特に限定されず、例えば、織物、編物等が用いられる。
固定ベルト228は、使用者100の腰部下側に巻き付けて装着される。固定ベルト228には、上方に左右二本の連結ベルト226が接続されている。さらに、固定ベルト228には、下方に左右二組の膝ベルト230が接続されている。
連結ベルト226の上側端部にはそれぞれ、取付具222が設けられている。右の取付具222は、上装着部210の右の連結具214と着脱自在に接続され、右の下側補助ベルト252を固定ベルト228に固定している。左の取付具222も同様の構成を有する。
測定部310は、固定ベルト228に取り付けられ、使用者100の腹部の中央に来るように配される。測定部310は、超音波センサ312と、角度調整部314と、ケーブル316とを有する。
超音波センサ312は、超音波を発信する発信機、および地面に反射した音波を受信する受信機を有し、発信機より発信した超音波の反射波が受信機に取得されるまでの時間を測定する。超音波センサ312は、測定した時間をケーブル316を通じて制御ボックス300に出力する。
角度調整部314は、左右に伸びる軸周りに相対的に回動可能な2つの部材から構成される。一方の部材には、超音波センサ312が取り付けられており、他方の部材には、固定ベルト228が取り付けられている。角度調整部314を回動することにより、超音波センサ312の超音波を発信する向きを使用者100に合わせて変えることができる。これにより、例えば、筋力補助具200は使用者100の歩幅、または身長に合せて、超音波の発振先を使用者100のつま先の先に向かせることができる。
制御ボックス300は、左右の解除部340にケーブル260により電気的に接続されるとともに、これらに保持される。これにより、制御ボックス300は使用者100の背部の中央に配される。当該制御ボックス300は、使用者100が危険状況であるか否かを判断する。解除部340は、制御ボックス300が、使用者100が危険状況であると判断したときに、上側補助ベルト212および下側補助ベルト252により生じている弾性力を解除する。弾性力の解除は、制御ボックス300による補助力の調整の一例である。
右の膝ベルト230は、2本のベルトを有している。これら2本のベルトは、使用者100の腰部から臀部および右脚の大腿部の左右を通って膝下前部で交差して、膝下後部で面ファスナーにてお互いが接合されて装着される。右の踵ベルト232の両端は、右の膝ベルト230の膝部左右に接続している。踵ベルト232は、膝ベルト230との接続部である下腿部左右の側面から踵部に渡って装着される。左の膝ベルト230および踵ベルト232も使用者100の左脚側において、同様の構成を有する。
膝ベルト230および踵ベルト232は、非伸縮性であって、天然繊維、または合成繊維を織った非伸縮性の帯状の布を合成樹脂等で被覆して形成される。膝ベルト230および踵ベルト232として合成樹脂のシートまたは皮が使用されてもよい。
ズボン部234は、使用者100の両脚をくるぶし付近まで覆う。ズボン部234の素材は特に限定されず、例えば、織物、編み物等が用いられる。ズボン部234の上部の外側に固定ベルト228が巻き付けられるとともに、ズボン部234の内側には、膝ベルト230および踵ベルト232が縫合される。これにより、固定ベルト228は、膝ベルト230および踵ベルト232によって上方向への移動が規制されている。
図3は、連結具214および取付具222の斜視図である。連結具214は、片側に傾斜面を有する2つの係止突起215と、2つの弾性爪216を有する。取付具222は、嵌合部223と、係止穴224を有する。連結具214が嵌合部223に挿入されると、弾性爪216の弾性と係止突起215の傾斜面により係止突起215は内側に変形する。その状態で、さらに連結具214が嵌合部223に挿入されると、係止突起215と係止穴224との嵌合によって係止突起215が係止穴224に係止され、連結具214と取付具222とが接続される。
一方、連結具214と取付具222との接続は、取付具222の係止穴224から係止突起215を内側へ撓ませることで解除できる。この状態で両者を離間させれば、連結具214と取付具222との接続を解除できる。
図4は、制御ボックス300の機能ブロック図を示している。制御ボックス300は、検出部324および制御部326を有する。
検出部324は、距離から使用者100が予め定められた危険状況にあるか否かを検出する。本実施形態において、検出部324は、危険状況の一例として、使用者100の脚の踏み出し先に予め定められた高さ以上の段差があるか否かを検出する。
この場合に、検出部324は、測定部310から出力された時間を取得して、当該時間に音速を乗じて距離を算出する。検出部324は、算出した距離が予め定められた距離以上、または、予め定められた距離以下であったときに、予め定められた高さ以上の段差があると判断する。検出部324は、使用者100に筋力補助具200が装着されたことを検出して、上記距離を算出しこれを基準距離として記憶して、その後に算出された距離と当該基準距離とを比較して、その差が予め定められた値を越えた場合に、予め定められた高さ以上の段差があると判断してもよい。
検出部324は、上記段差がある旨を検出した場合に、制御部326に解除信号を出力する。一方、検出部324は、上記段差がある旨を検出しない場合に、解除信号を出力しない。制御部326は、検出部324から解除信号を取得した場合に、解除部340を駆動させる駆動信号を解除部340に出力する。
図5および図6は、解除部340の断面図である。図5は、上側補助ベルト212と下側補助ベルト252とが解除部340により連結されている状態を示す。一方、図6は、上側補助ベルト212と下側補助ベルト252とが解除部340により切り離された状態を示す。
解除部340は、係止爪342と、係止板344と、支持部346と、付勢部材348と、ロッド350と、筐体352と、駆動部354とを有する。筐体352は、一面に矩形の開口を有する中空の直方体である。筐体352の内部には、支持部346、付勢部材348が設けられている。筐体352の外面には、駆動部354と、上側補助ベルト212とが固定されている。
係止爪342の一端側には、下側補助ベルト252が固定されている。係止爪342の他端側には、鋸刃状の爪が2つ設けられている。
係止板344の中央部は、支持部346に回動自在に支持されている。係止板344の一端は、付勢部材348により図中下方向へ付勢されている。また、係止板344の他端は、ロッド350に当接している。
ロッド350は筐体352を貫通している。ロッド350の一端側は駆動部354に接続され、他端側は係止板344に当接している。
図5の状態において、駆動部354に駆動信号は入力されておらず、ロッド350は駆動部354側に引っ込んでいる。この状態で付勢部材348の付勢力が働いているので、係止板344が図中の反時計周りに回動して、係止板344の上記一端は図中下方に位置している。
従って、係止板344は、係止爪342に係止して、係止爪342の移動を規制している。これにより、上側補助ベルト212と下側補助ベルト252とが連結されて、上側補助ベルト212および下側補助ベルト252の補助力の伝達経路がつながっている。
図6において、駆動部354に制御部326からの駆動信号が入力されることにより、駆動部354は、ロッド350を下方へ押し出している。これにより、ロッド350は、付勢部材348の付勢力に抗して係止板344の上記他端を押し下げる。
従って、係止板344が図中の時計周りに回動して、係止板344の上記一端が持ち上げられ、係止板344と係止爪342との係止が解除される。これにより、上側補助ベルト212と下側補助ベルト252と物理的に切り離されて、補助力の伝達経路が物理的に遮断される。以上により、使用者100への補助力が解放される。
本実施形態に示した筋力補助具200は、検出部324によって使用者100の危険状況が検出された場合に、筋力補助具200の補助力を解放する。これより、筋力補助具200は、危険状況を避けようとする使用者100の動作を妨げるのを防ぐことができる。
上記実施形態において、検出部324は、危険状況として、予め定められた高さ以上の段差を検出する。すなわち、段差が使用者100の現在位置よりも高い場合と低い場合との両方において、検出部324は危険状況であると判断する。これに代えて、検出部324はいずれか一方、特に、段差が使用者100の現在位置よりも低い場合に危険状況であると判断して、高い場合に危険状況であると判断しなくてもよい。脚の踏み出し先の地面が低いとき、使用者100が当該地面に脚を踏み出すと身体のバランスを崩しやすい。この場合に使用者100に対し不要な補助力を与えずに、転倒を防ぐことができる。一方で、脚の踏み出し先の地面が高いときには、使用者100に補助力を与えて筋肉の負担を低減する。
また、検出部324は、予め記録された安全な条件を満たさない場合を危険状況であると検出してもよい。検出部324には、予め安全な条件が記録されており、検出部324は、予め記録された安全な条件から外れたか否かを検出部する。検出部324は、検出した結果が、安全な条件から外れたと判断した場合、検出部324は、使用者100が危険な状況にいると判断する。
なお、上記実施形態においては、連結具214および取付具222と、解除部340とが別個に設けられている。これに代えて、解除部340が、筋力補助具200の着脱における上側補助ベルト212と下側補助ベルト252との連結、切り離しを兼ねてもよい。
図7および図8は、他の解放部360の断面図である。図7は、上側補助ベルト212および下側補助ベルト252の補助力が働いている状態を示す。一方、図8は、上側補助ベルト212および下側補助ベルト252の補助力が解放された状態を示す。解放部360は、回転体362と、係止突起364と、調整ベルト366、368と、係止爪370と、付勢部材372と、ロッド374と、支持部376と、筐体378と、駆動部380とを有する。
回転体362は、回転軸に対して回転自在に保持されている。回転体362の外周には、鋸刃状の係止突起364が設けられる。
係止爪370の中央部は、支持部376に回動自在に支持されている。係止爪370の一端には、回転体362の係止突起364と係止する突起が設けられている。係止爪370の当該一端は図中の下方から上方へ付勢部材372により付勢されている。係止爪370の他端は、ロッド374に当接している。
調整ベルト366、368は、非伸縮性である。調整ベルト366の一端は、上記回転軸に固定されている。調整ベルト366の他端は、下側補助ベルト252に接続されている。
調整ベルト368の一端は、回転体362の中央部分に固定され、当該固定部分は回転体362と一体的に回転する。さらに調整ベルト368は、当該固定部分に巻かれている。調整ベルト368の他端は、上側補助ベルト212に接続されている。
図7の状態において、駆動部380に駆動信号は入力されておらず、ロッド374は駆動部380側に引っ込んでいる。この状態で付勢部材372の付勢力が働いているので、係止爪370が図中の反時計周りに回動して、係止爪370の上記一端は図中上方に位置している。
従って、係止爪370の突起は、係止突起364のいずれかに係止して、回転体362の回転を規制している。これにより、上側補助ベルト212の伸長が規制されて、上側補助ベルト212および下側補助ベルト252の補助力が使用者100に働いている。
図8において、駆動部380に制御部326からの駆動信号が入力されることにより、駆動部380は、ロッド374を上方へ押し出している。これにより、ロッド374は、付勢部材372の付勢力に抗して係止爪370の上記他端を押し上げる。
従って、係止爪370が図中の時計周りに回動して、係止爪370の上記一端が引き下げられ、係止爪370の突起と係止突起364との係止が解除される。これにより、回転体362は反時計周りの回転が可能となり、回転体362に巻かれていた調整ベルト368は、上側補助ベルト212および下側補助ベルト252の弾性力により引き出される。調整ベルト368が引き出されることによって、上側補助ベルト212および下側補助ベルト252の張力はなくなり、使用者100への補助力が解放される。これより、筋力補助具200は、危険状況を避けようとする使用者100の動作を妨げるのを防ぐことができる。
図9は、使用者100に装着された別の筋力補助具202を背後から見た模式図である。図9において、矢印で示す上下左右を筋力補助具202の上下左右方向とする。図9に示した筋力補助具202において、補助ベルト213、弾性部242、制御ボックス302、およびポンプ304以外の構成は、図1に示した筋力補助具200と同じであり、説明を省略する。
補助ベルト213は非伸縮性である。補助ベルト213の背中側の一端はそれぞれ、対応する弾性部242に接続されている。
弾性部242は、使用者100の左右の背部に配される。弾性部242の一端はそれぞれ、対応する上側補助ベルト212に接続され、他端は連結具214を介して対応する取付具222に固定される。
弾性部242は、連結管262を介してポンプ304に連結している。ポンプ304は、連結管262により使用者100の背中中央で保持される。
制御ボックス302は、使用者100の危険状況を検出した場合に、ポンプ304を駆動させる駆動信号を出力する。一方、制御ボックス302は、使用者100の危険状況を検出しない場合に、ポンプ304を駆動させる駆動信号を出力しない。
弾性部242は弾性を有する材料で形成され、断面形状が矩形の中空形状を有する。弾性部242の内部には、流体217が充填される。
図10は、ポンプ304の断面図を示している。ポンプ304は、シリンダ390と、ピストン392と、アクチュエータ394とを有する。ポンプ304は、アクチュエータ394によりピストン392を上方へ移動させて、シリンダ内の流体217を弾性部242に送り、ピストン392を下方へ移動させて、弾性部242からシリンダ390内へ流体217を戻して、弾性部242内の流体217の充填量を制御する。
図11は、弾性部242内の流体217の充填量が少ない状態を示しており、図12は、弾性部242内の流体217の充填量が多い状態を示している。図11において、弾性部242内の流体217の充填量は少ないので、弾性部242の断面形状は、矩形形状を維持しており、曲げ剛性は小さい。一方、図12において、弾性部242内の流体217の充填量は多いので、弾性部242の断面形状は、楕円形状に変形して、曲げ剛性は大きい。これにより、弾性部242に充填されている流体217の量が大きいほど、使用者100への補助力も大きくなる。なお、流体217として、気体、液体のいずれか、またはこれらの混合物を用いることができる。
ポンプ304は、制御部326から駆動信号を取得すると、アクチュエータ394を駆動させて、ピストン392を下方へ移動させる。ピストン392を下方へ移動させると、弾性部242からシリンダ390内へ流体217が戻される。弾性部242内の流体217の充填量を少なくすることで、弾性部242の弾性力を低減させることができる。
このように、筋力補助具202は、検出部324により使用者100の危険状況が検出されたときに、弾性部242の弾性力を低減できる。それにより、筋力補助具202は、危険状況を避けようとする使用者100の動作を妨げる補助力を使用者100に与えることを回避できる。
本実施形態の測定部310は超音波センサ312を用いた例を示したが、レーザーの反射を用いてもよい。さらにそれらに代えて、カメラを用いて使用者100の脚の踏み出し先を撮像して、使用者100の前方の画像を解析して、使用者100の脚の踏み出し先に段差があるか否かを検出してもよい。
図13は、使用者100に装着された別の筋力補助具204を側面から見た模式図である。図13に示した筋力補助具204において、靴330以外の構成は、図1に示した筋力補助具200と同じであり、説明を省略する。靴330は使用者100の重心を検出して、これに基づいて、検出部324は危険状況の一例としての使用者100の危険姿勢を検出する。
図14は、右の靴330の側面図である。靴330は、使用者100の脚に通常の靴と同様に履かれる。靴330は、第一荷重センサ332と、第二荷重センサ334と、ケーブル336とを有する。
第一荷重センサ332は、靴330の脚裏爪先側に設けられ、使用者100の爪先側の荷重を検出する。第二荷重センサ334は、靴330の脚裏踵側に設けられ、使用者100の踵側の荷重を検出する。両荷重センサの荷重検出値は、ケーブル336を通じて制御ボックス306に出力される。左の靴の構成も同じである。
図15は、踵側に使用者100の体重が掛かった状態を示している。両脚について図15に示すように踵側に体重がかかっている場合に、使用者100は後方にのけぞった姿勢であると推測される。この姿勢において使用者100が前屈すると、筋力補助具204は、使用者100に前屈に対する復元力を与えるので、使用者100が後方に転倒する可能性がある。よって、使用者100は後方にのけぞった姿勢において、筋力補助具204は、使用者100に上側補助ベルト212、および下側補助ベルト252による補助力を与えないことが望ましい。
検出部324は、左右の靴330のそれぞれから、第一荷重センサ332および第二荷重センサ334の荷重検出値を取得する。検出部324は、左右の靴330の両方において、第二荷重センサ334の示す荷重が第一荷重センサ332の示す荷重に対して予め定められた比よりも大きくなった場合に、使用者100の体重の重心が後ろへ移動したと判断する。
検出部324は、使用者100の体重の重心が後ろへ移動したと判断した場合に、制御部326に解除信号を出力する。検出部324は、使用者100の体重の重心が後ろへ移動したと判断しない場合に、制御部326に解除信号を出力しない。制御部326は、検出部324から解除信号を取得すると、解除部340を駆動する駆動信号を出力する。そして、駆動信号を取得した解除部340は、係止爪342の係止を解除して、上側補助ベルト212、および下側補助ベルト252の補助力を解放する。
筋力補助具204は、靴330の二つの荷重センサに加えて、三軸の加速度センサを制御ボックス302に備えてもよい。三軸の加速度センサを備えることで、筋力補助具204は、使用者100の腰部の重力方向に対する姿勢も検出できるので、使用者100の姿勢に関係する危険状況を詳細に検出できる。加速度センサに代えて、またはこれに加えて、筋力補助具206は、筋電位センサを用いて使用者100の危険状況を検出してもよい。転倒するとき、使用者100の体の一部に瞬時に力が入るので、筋電位センサは、当該力が予め定めた閾値を超えた場合に使用者100が危険状況にあると判断してもよい。
図16は、使用者100に装着された別の筋力補助具206を背面から見た模式図である。図16において、矢印で示す上下左右を筋力補助具206の上下左右方向とする。図17は、使用者100に装着された別の筋力補助具206を正面から見た模式図である。図17において、矢印で示す上下左右を筋力補助具206の上下左右方向とする。
筋力補助具206は、使用者100の上半身および下半身に装着されて、使用者100腰部の筋力を補助する。筋力補助具206は、ジャケット部400とズボン部402と、配線部404と、腰部アクチュエータ410と、脚部アクチュエータ420と、制御ボックス500と、動作検出部508と、電源スイッチ510とを有する。
ジャケット部400は、使用者100の上半身を覆う形態を有している。ジャケット部400は、半そで、長そで、ノースリーブ等、腕の形態は特に限定されない。ジャケット部400は、伸縮可能な化学繊維等により形成される。ジャケット部400は、使用者100の上半身を一定の束縛力で締め付けて密着する。これにより、ジャケット部400は、装着された状態では、使用者100の上半身に対してすべり難くなる。
ズボン部402は、使用者100の下半身を覆う形態を有している。ズボン部402は、脚部を半分覆う半ズボンであるが、脚部を全て覆う長ズボンであってもよい。ズボン部402は、伸縮可能な化学繊維等により形成される。ズボン部402は、使用者100の下半身を一定の束縛力で締め付けて密着する。これにより、ズボン部402は、装着された状態では、使用者100の下半身に対してすべり難くなる。
腰部アクチュエータ410は、第一アクチュエータ412と、第二アクチュエータ414とを有する。第一アクチュエータ412は、帯状に形成されており、使用者100の右側であって、背部から腰部にわたって設けられている。第一アクチュエータ412は、全長にわたって、ジャケット部400に貼り付けられて密着している。
第一アクチュエータ412は、電圧が印加されると伸縮する高分子材料を含む。第一アクチュエータ412は、電圧が印加されると、長手方向に伸長または収縮する。第一アクチュエータ412は、伸長または収縮することにより、使用者100に補助力を提供する。
高分子材料の一例は、ポリロタキサン架橋体である。第一アクチュエータ412は、平面状のポリロタキサン架橋体の両面を伸縮性の電極で挟んだシート部材を巻くことによって作製される。ここで、第一アクチュエータ412の長手方向は、巻かれたシート部材の軸方向と平行である。第一アクチュエータ412は、柔軟性を有するので、着用した状態で歩行したときのユーザの違和感を低減できる。
高分子材料の別例は、非イオン性ゲルである。この場合、第一アクチュエータ412は、一対の外側電極と、一対の外側電極の間に配置されたメッシュ状のメッシュ電極と、メッシュ電極と各外側電極との間に設けられた非イオン性ゲルとを有する。非イオン性ゲルの一例は、ジメチルスルホキシドを溶媒とするポリビニルアルコールのゲルである。この第一アクチュエータ412では、メッシュ電極に外側電極よりも高い電圧を印加すると、外側電極から非イオン性ゲルに負電荷が注入されて、メッシュ電極に引き寄せられる。この結果、一対の外側電極間の距離が収縮する。逆に電圧の印加を停止すると、非イオン性ゲルの弾性力によって、元の状態に戻って伸長する。この外側電極、メッシュ電極及び非イオン性ゲルの組み合わせを複数積層することによって、伸縮量を増加させることができる。
高分子材料の別例は、ポリピロール膜である。電解液中に浸漬されたポリピロール膜は、電圧が印加されることにより、膨張または収縮する。例えば、正の電圧が印加されると、ポリピロール膜は膨張する。負の電圧が印加されると、ポリピロール膜は収縮する。第一アクチュエータ412は、ポリピロール膜を含む場合、電解液が必要となるので、第一アクチュエータ412を封止する必要がある。
第二アクチュエータ414は、使用者の左側であって、背部から腰部にわたって設けられている。第二アクチュエータ414のその他の構成は、第一アクチュエータと同様なので説明は省略する。
脚部アクチュエータ420は、第三アクチュエータ422と、第四アクチュエータ424と、第五アクチュエータ426と、第六アクチュエータ428とを有する。第三アクチュエータ422は、右脚の大腿部を覆うズボン部402の前面の右上から左下にわたって設けられている。第三アクチュエータ422は、帯状に形成されている。第三アクチュエータ422は、全長にわたって、ズボン部402に貼り付けられて密着している。
第三アクチュエータ422は、電圧が印加されると伸縮する高分子材料を含み、電圧が印加されると、長手方向に伸長または収縮する。第三アクチュエータ422は、伸長または収縮することによって、歩行時の使用者100の右脚の上昇または下降を補助する。第三アクチュエータのその他の構成は、第一アクチュエータ412と同様であるので説明は省略する。
第四アクチュエータ424は、右脚の大腿部を覆うズボン部402の前面の左上から右下にわたって設けられている。従って、第三アクチュエータ422と、第四アクチュエータ424は、右脚の大腿部の前面で交差する。第五アクチュエータ426は、左脚の大腿部を覆うズボン部402の前面左上から右下にわたって設けられている。第六アクチュエータ428は、左脚の大腿部を覆うズボン部402の前面右上から左下にわたって設けられている。第五アクチュエータ426と、第六アクチュエータ428は、右脚の大腿部の前面で交差する。第四アクチュエータ424、第五アクチュエータ426、第六アクチュエータ428のその他の構成は、第三アクチュエータ422と同様なので、説明を省略する。
配線部404は、制御ボックス500の電源と、腰部アクチュエータ410、および脚部アクチュエータ420のそれぞれのアクチュエータ(以後、各アクチュエータという)に個別電圧を印加する。制御ボックス500は、ズボン部402の前側上部に設けられている。制御ボックス500は、制御装置502と、電源部504と、漏電センサ506とを有する。
制御装置502は、筋力補助具206の制御全般を司る。電源部504は、配線部404を通じて各アクチュエータに電圧を個別に印加する。漏電センサ506は、配線部404、および各アクチュエータでの漏電を検出する。
動作検出部508は、使用者100の背部に設けられ、使用者100の上半身の動作を検出するセンサである。動作検出部508の一例は、三軸の加速度センサである。使用者100が前屈姿勢をとると、動作検出部508は、上半身の傾斜を検出して制御装置502へ上半身の傾斜情報を出力する。
電源スイッチ510は、使用者100の腹部中央部に設けられる。電源スイッチ510によって使用者100は、筋力補助具206の主電源のオン・オフを切り替える。
図18は、制御ボックス500の制御を説明する機能ブロックを示す。図18に示すように、制御装置502は、制御部518と、格納部514とを有する。
制御部518は、動作検出部508から傾斜情報を取得する。制御部518はさらに、電源スイッチ510から電源信号を取得する。制御部518は、取得した傾斜情報に基づいて、格納部514を参照することにより、当該格納部514に格納されている傾斜情報と電源制御との関係に基づいて、電源部504を制御して、各アクチュエータに個別に電圧を印加して筋力を補助する。
図19は、筋力補助具206の動作を示す図である。図19に示したように、第二アクチュエータ414に電圧が印加されると、第二アクチュエータ414は収縮する。第二アクチュエータ414の収縮により、使用者100には、上半身を起こす補助力が付与される。
制御部518は、電源スイッチ510から最初の電源信号を取得すると、筋力補助具206の主電源をオン状態にする。制御部518は、次の電源信号を取得すると、筋力補助具206の主電源をオフ状態にする。
漏電センサ506は、危険状況の一例として、配線部404および各アクチュエータでの漏電を検出する。この場合に、漏電センサ506は、制御部518の制御に基づいて流れるべき電流以上の電流が流れた場合に漏電があったと判断して、制御部518に漏電を検出した旨を出力する。
制御部518は、漏電センサ506から漏電があった旨が入力された場合に、主電源を強制的にオフ状態にして、各アクチュエータが伸張、または収縮するエネルギーの供給を停止させる。これにより、漏電により危険状況となったときに、筋力補助具206は、主電源をオフ状態にして、使用者100の危険状況を回避させる。
これに代えて、またはこれに加えて、各アクチュエータを備えた筋力補助具206においても、図1の測定部310または図14の靴330を用いて使用者100の危険状況を検出して、制御部518が主電源をオフ状態としてもよい。また、使用者100の危険状況を検出したとき、筋力補助具206は、各アクチュエータから使用者100に当該危険状況を回避するための補助力を与えてもよい。危険状況を回避するための補助力を与えることは、制御部518が補助力を調整する一例である。
前方に大きな凹み段差を検出した場合、筋力補助具206は、使用者100を前方へ行かせなくすることを目的として、脚部アクチュエータ420に電圧を印加して、脚の上昇を妨げる補助力を与えてもよい。筋力補助具206は、使用者100を前方へ行かせなくすることで、使用者100が大きな凹みへ落ちることを防止できる。
他の例として、使用者100が下り坂でつまずいたことを検出した場合、筋力補助具206は、脚部アクチュエータ420と腰部アクチュエータ410に電圧を印加して、より前方に脚をださせる補助力と上半身を起こす補助力を使用者100に与えて、転倒を防止させる補助力を与えてもよい。更に、筋力補助具206に腕部の筋力を補助するアクチュエータを設けて、筋力補助具206は、転倒を防止するためのバランスを取る動きを補助する力を使用者100の腕部に与えてもよい。このように、筋力補助具206は、使用者100への補助力を調整することによって、使用者100の危険状況を回避させることができる。
また、主電源をオフ状態することに代えて、またはこれに加えて、各アクチュエータの端部の一方に、図5の解除部340を設けて、使用者100の危険状況を検出したとき、解除部340を駆動させて各アクチュエータをジャケット部400から切り離してもよい。図16、および図17に示した例において、使用者100の危険状況は、動作検出部508によって検出したが、これに代えて、またはこれに加えて、筋力補助具206は、筋電位センサを用いて使用者100の危険状況を検出してもよい。転倒するとき、使用者100の体の一部に瞬時に力が入るので、筋電位センサは、当該力が予め定めた閾値を超えた場合に使用者100が危険状況にあると判断してもよい。
危険状況の場合に、主電源をオフ状態することに代えて、またはこれに加えて、制御部504は各アクチュエータを自然長に積極的に戻してもよい。この場合に、第一アクチュエータ412等のように電気的に駆動されるアクチュエータに対して、放電回路が設けられてもよい。危険状況であるときに、制御部504は電源部504からアクチュエータへの電力供給を停止することに加えて、アクチュエータに蓄積されている電荷を当該放電回路で放電することで、アクチュエータを自然長に積極的に戻してもよい。これにより、アクチュエータを早急に自然長に戻して、ユーザが危険を回避する場合に当該アクチュエータがユーザの動きの妨げとなることを確実に防止することができる。
第一アクチュエータ412等として、シリコーン、アクリル等のエラストマー膜の両面に、伸縮可能なシート状の電極を接着した誘電エラストマー型のアクチュエータを用いてもよい。当該アクチュエータは、電極への電圧印加で生じるクーロン力によりエラストマー膜を挟み込んで押し潰すことにより面方向に伸長する。危険状況であるときに、制御部504は当該アクチュエータへの電圧を制御することに加えて、図5から図8に示す解除部340を用いてアクチュエータの補助力の伝達経路を物理的に遮断してもよい。
第一アクチュエータ412等は、少なくとも電力を供給していない状態において、外力により変形可能であることが好ましい。この場合に電力の非供給時の剛性または弾性が供給時よりも低いことが好ましい。これにより、危険状況であるときに電力の供給を停止したとき、ユーザから受ける力によって第一アクチュエータ412が容易に変形するので、ユーザの動作を妨げることが防止される。アクチュエータが回転モータ、油圧シリンダ等の場合には、危険状況である場合にクラッチ機構や油抜き機構等の、アクチュエータの動きを自由にする機構を設けることになるが、上記アクチュエータによればこれらを設けなくてもよい。さらに、アクチュエータ自身の柔軟性により、転倒等の場合に当該アクチュエータが緩衝材としての役割も果たすことができる。
さらに、他の危険状況の例として、使用者100が被水したことを検出して、筋力補助具200等の補助力を解放または低減してもよい。なお、筋力補助具206の被水は、電流値を検出すること、漏電量を検出すること、または、各アクチュエータ周辺の湿度を湿度計で検出することによって検出できる。これにより、使用者100が水中に落下した等の場合に、アクチュエータ等の電気機器の漏電による使用者100への感電を防止できる。また、制御ボックス500に、漏電ブレーカを設け、漏電発生時に各アクチュエータへの電力の供給を遮断してもよい。
上記検出部324、制御部326、518のうち、危険状況に基づいて補助力を低減させるべく制御する部分は、CPUがソフトウェアプログラムを読み出すことにより実行されてもよいし、ASIC等によりハードウェアとして形成されてもよい。なお、制御部326、518は補助力を調整することに加えて、危険状況である旨を音、振動等により警告してもよい。
また、筋力補助具206の動作検出部508が加速度センサを備えている場合、加速度センサは、配線を介して、ユーザの腰部における3方向の加速度信号を制御部504に出力する。
加速度センサからの出力が、ユーザが転倒した状態に対応する状態であることを検出した場合、制御部504にユーザが転倒した状態であることを示す状態信号が出力される。制御装置502は、当該状態信号を取得すると、電源部504を制御して、第1アクチュエータ412及び第2アクチュエータ414等のアクチュエータによる歩行の支援を中止する。すなわち、ユーザに対して筋力補助具206からの支援がない自由な状態を提供する。なお、制御装置504は、歩行の支援を中止することに代えて、印加電圧を低下させることにより、各アクチュエータの出力を低減して、歩行の支援を制限してもよい。
動作検出部508は、加速度センサから、ユーザの腰部における3方向の加速度信号を取得する。動作検出部508は、取得した加速度信号から加速度を算出して、予め定められた時間における加速度変化のプロファイルを作成する。なお、予め定められた時間の一例は2秒である。
人間が転倒した場合に、腰部に特徴的な加速度変化が観測されることが知られている。そこで、予め故意に転倒した場合に測定された加速度変化のプロファイルを参照プロファイルとして格納部514に格納しておく。動作検出部508は、格納部514に格納された参照プロファイルと、加速度センサからの出力に基づいて算出されたプロファイルとを比較することで、筋力補助具206を使用しているユーザが転倒した状態であることを検出する。
危険状況を検出する検出部324等の検出部は、作成したプロファイルと参照プロファイルとが予め定められた条件で一致した場合に、ユーザの状態が転倒した状態であると判断し、制御装置502にユーザの状態が転倒した状態であることを示す状態信号を出力する。制御装置502は、当該状態信号を取得すると、電圧制御処理を停止する。制御装置502は、電圧制御処理を停止することによって、各アクチュエータによる歩行の支援を止める。
一方、検出部が、予め定められた条件で一致していない場合に、ユーザの状態が転倒した状態ではないと判断し、制御装置502にユーザの状態が転倒した状態でないことを示す状態信号を出力する。制御装置502は、当該状態信号を取得すると、電圧制御処理を実行する。
このように、筋力補助具206は、検出部がユーザの転倒状態を検出した場合には、歩行支援を止める。これにより、ユーザが転倒した場合には支援を中止してユーザの本来の身体感覚に戻すことにより、受け身をとる動作を促すことができる。
また、検出部として、加速度センサに代えて、ユーザの腰または臀部に圧力センサを設けて、予め定められた状態として、ユーザが着座した状態を検出してもよい。この場合、検出部は、圧力センサから、ユーザの腰部または臀部にかかる圧力信号を取得する。検出部は、取得した圧力信号から圧力を算出して、算出した圧力が、予め定められた圧力の閾値を越えた場合に、ユーザが着座した状態であると判断する。これにより、検出部は、筋力補助具206を装着したユーザが着座した状態であり、危険状態ではないことを検出する。
検出部は、ユーザが着座した状態を検出した場合に、制御装置502にユーザの状態が着座した状態であることを示す状態信号を出力する。制御装置502は、当該状態信号を取得すると、危険状況が生じた場合のような制御は行わず、ユーザの筋力支援を行う。
さらに、圧力センサに代えて、または、これに加えてユーザの膝部に膝の角度を検出できる角度センサを設けてもよい。この場合、検出部は、角度センサから、ユーザの膝の曲げ角度信号を取得する。検出部は、取得した膝の曲げ角度信号から膝の曲げ角度を算出して、算出した角度が予め定められた角度の閾値を越えた場合、または、膝の曲げ角度が予め定められた角度の閾値を超えた状態が所定の時間を超えた場合に、ユーザが着座した状態であると判断する。これにより、検出部は、筋力補助具206を使用しているユーザが着座した状態であることを検出してもよい。
また、加速度センサに代えて、ユーザの脚の踏み出し先の地面に発信方向を向けた、超音波センサを設けた場合、予め定められた状態として、ユーザの前に予め定められた高さ以上の段差がある状態を検出してもよい。この場合、検出部は、超音波センサから地面に向けて発信した超音波が、地面に反射して受信されるまでの時間を取得する。動作検出部508は、取得した時間に音速を乗じて距離を測定することによって、当該地面にある段差の高さを算出する。検出部は、算出した高さが閾値以上であった場合に、ユーザの前に予め定められた高さ以上の段差がある状態であると判断する。これにより、検出部は、筋力補助具206を使用しているユーザの前に予め定められた高さ以上の段差があることを検出する。
検出部は、ユーザの前に予め定められた高さ以上の段差がある状態を検出した場合に、制御装置502にユーザの前に予め定められた高さ以上の段差がある状態であることを示す状態信号を出力する。制御装置502は、当該状態信号を取得すると、電圧制御処理を停止して歩行支援を止める。このように、ユーザの前に予め定められた高さ以上の段差がある状態で歩行を支援することによって、ユーザを当該段差に導き、当該段差により転倒させてしまうことを防止できる。
さらに、ユーザの前に予め定められた高さ以上の段差がある状態において、検出部は、ユーザの脚の踏み出し先の地面が低いか否かに基づいて、ユーザの前に予め定められた高さ以上の段差があると判断してもよい。足の踏み出し先の地面が低い段差を有する場合、当該段差によりユーザは、転倒しやすくなる。したがって、ユーザの脚の踏み出し先の地面が低い状態で歩行を支援することによって、ユーザを当該段差に導き、当該段差により転倒させてしまうことを防止できる。
さらに、超音波センサに代えて、または、これに加えて撮像装置を用いてもよい。この場合、検出部は、撮像装置によって撮像されたユーザの前方の画像を取得する。検出部は、取得した画像を解析して、ユーザの前に予め定められた高さ以上の段差があるか否かを判断してもよい。これにより、検出部は、筋力補助具206を使用しているユーザの前に予め定められた高さ以上の段差があることを検出する。
また、筋力補助具206は、加速度センサに代えて、気圧センサ72を備えていてもよい。筋力補助具206において、検出部は、予め定められた状態として、ユーザが階段を上っている状態を検出する。階段を上っている状態において、ユーザは、手すりを握ると、右入力部26および左入力部28の何れか一方、もしくは両方から意思表示が入力されなくなる。
一方、階段を上る時は、脚部への負荷が大きいので、歩行の支援を行って欲しいと考えるユーザは多い。このため、検出部は、ユーザが階段を上っている状態であると検出した場合、制御装置502にユーザが階段を上っている状態であることを示す状態信号を出力する。制御装置502は、当該状態信号を取得すると、右入力部26および左入力部28のいずれから意思表示が入力されていない場合でも、電源部504を制御して、各アクチュエータによって歩行を支援する。これにより、手摺を握りながら階段を上るユーザに対しても歩行を補助できる。
検出部は、気圧センサ72から、気圧信号を取得する。検出部は、取得した気圧信号からユーザの高度を算出する。検出部は、算出した高度からユーザの高度変化のプロファイルを作成する。検出部は、高度変化のプロファイルが、なだらかに上昇している場合に、ユーザが階段を上っている状態であると判断する。これにより検出部は、筋力補助具206を使用しているユーザが階段を上っている状態であることを検出する。
制御装置502は、ユーザが電源スイッチ29によって電源信号を入力したと判定すると、動作検出部508は、気圧センサから気圧信号を取得する。検出部は、気圧信号からユーザの高度を算出して、高度変化のプロファイルを作成する。検出部は、高度変化のプロファイルに基づいて、ユーザの状態が、階段を上っている状態か否かを判断する。
検出部は、高度変化のプロファイルが、ユーザが階段を上っていることを示している場合、例えば、ユーザの高度がなだらかに上昇している場合に、ユーザの状態が、階段を上っている状態であり、危険状態ではないと判断し、制御装置502にユーザが階段を上っている状態であることを示す状態信号を出力する。制御装置502は、当該状態信号を取得すると、電圧制御処理を実行する。
さらに、気圧センサに加えて、ユーザの股関節の角度を計測する角度センサを設けてもよい。この場合、検出部は、角度センサから、ユーザの股関節の曲げ角度信号を取得する。検出部は、角度信号から、例えば、股関節の角度変化を算出して、ユーザの脚の屈伸のタイミングを取得する。階段を上る場合に、股関節から脚を曲げて階段に脚をかけ、股関節を伸ばして1段上の段に上るので、股関節の伸びのタイミングと、ユーザの高度変化のタイミングとを比較することで、ユーザが階段を上っている状態であることを検出してもよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、請求の範囲の記載から明らかである。
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
100 使用者、200、202、204、206 筋力補助具、210 上装着部、212 上側補助ベルト、213 補助ベルト、214 連結具、215 係止突起、216 弾性爪、217 流体、218 ジャケット部、220 下装着部、222 取付具、223 嵌合部、224 係止穴、226 連結ベルト、228 固定ベルト、230 膝ベルト、232 踵ベルト、234 ズボン部、242 弾性部、252 下側補助ベルト、260 ケーブル、262 連結管、300、302、306 制御ボックス、304 ポンプ、310 測定部、312 超音波センサ、314 角度調整部、316、336 ケーブル、324 検出部、326 制御部、330 靴、332 第一荷重センサ、334 第二荷重センサ、340 解除部、342、370 係止爪、344 係止板、346、376 支持部、348、372 付勢部材、350、374 ロッド、352、378 筐体、354、380 駆動部、360 解放部、362 回転体、364 係止突起、366、368 調整ベルト、390 シリンダ、392 ピストン、394 アクチュエータ、400 ジャケット部、402 ズボン部、404 配線部、410 腰部アクチュエータ、412 第一アクチュエータ、414 第二アクチュエータ、420 脚部アクチュエータ、422 第三アクチュエータ、424 第四アクチュエータ、426 第五アクチュエータ、428 第六アクチュエータ、500 制御ボックス、502 制御装置、504 電源部、506 漏電センサ、508 動作検出部、510 電源スイッチ、514 格納部、518 制御部

Claims (17)

  1. 伸長または収縮による補助力を用いて、使用者の筋力を補助する補助部と、
    予め定められた危険状況を検出する検出部と、
    前記検出部により前記危険状況が検出された場合に、前記補助部による補助力を調整する制御部と
    を備える筋力補助具。
  2. 前記制御部は、前記補助部による前記補助力を解放する請求項1に記載の筋力補助具。
  3. 前記制御部は、前記補助部が伸長または収縮するエネルギーの供給を停止することにより、前記補助力を解放する請求項2に記載の筋力補助具。
  4. 前記制御部は、前記補助部の長さが自然長になるように補助力を解放する請求項3に記載の筋力補助具。
  5. 前記制御部は、前記補助部と前記使用者との間の前記補助力の伝達経路を物理的に遮断することにより前記補助力を解放する請求項2に記載の筋力補助具。
  6. 前記補助部は、少なくとも補助力を解放した状態において、外力により変形可能である請求項2から5のいずれか1項に記載の筋力補助具。
  7. 前記検出部は、前記危険状況として、被水したことを検出する請求項1から6のいずれか1項に記載の筋力補助具。
  8. 前記検出部は、前記危険状況として、予め定められた高さ以上の段差を検出する請求項1から6のいずれか1項に記載の筋力補助具。
  9. 前記検出部は、前記使用者の脚の踏み出し先の地面が低いか否かに基づいて、前記段差を検出する請求項8に記載の筋力補助具。
  10. 前記検出部は、前記踏み出し先の地面への距離を測距することにより、前記段差の有無を判断する請求項9に記載の筋力補助具。
  11. 前記検出部は、前記使用者の前方の画像を解析して、前記段差の有無を判断する請求項8に記載の筋力補助具。
  12. 前記検出部は、前記危険状況として、前記使用者の予め定められた危険姿勢を検出する請求項1から6のいずれか1項に記載の筋力補助具。
  13. 前記検出部は、前記危険姿勢として、前記使用者の体重の重心の後ろへ移動を検出する請求項12に記載の筋力補助具。
  14. 前記検出部は、荷重センサ、筋電センサおよび加速度センサの少なくとも一つを有する請求項12または13に記載の筋力補助具。
  15. 前記検出部は、前記荷重センサで出力された荷重に基づいて、前記使用者の体重の重心が後ろへ移動したか否かを判断する請求項14に記載の筋力補助具。
  16. 前記検出部は、予め記録された安全な条件を満たさない場合に、前記危険状況であると判断する請求項1から15のいずれか1項に記載の筋力補助具。
  17. 前記制御部は、前記補助部により前記危険状況を回避する補助力を与える請求項1から16のいずれか1項に記載の筋力補助具。
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