JPWO2017222052A1 - 筋力補助装置 - Google Patents

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Abstract

筋力補助装置(10)は、胴に取り付けられる第1装着具(20)に保持された駆動手段(30)と、上腕に取り付けられる第2装着具(25)へ駆動手段(30)から出力された力を伝達する伝達手段(35)と、を有する。伝達手段は、第2装着具に接続した出力軸部材(76)と、駆動手段から出力軸部材への力の伝達および遮断を切り替え可能な切替手段(40)と、を有している。切替手段は、出力軸部材の後方、上方又は側外方に位置する。

Description

本発明は、着用者に着用されて着用者の筋力を補助する筋力補助装置に関する。
例えばJP2015−182833Aに開示されているように、農業、建設業、介護等に従事する作業者の筋力的な負担を軽減することを目的として、上腕の筋力を補助する筋力補助装置が注目を集めている。この筋力補助装置は、肩関節で接続された人体の胴及び上腕にそれぞれ取り付けられる一対の装着具を有し、駆動手段から出力される力を用いて、一対の装着具を所定の相対位置に保持すること、或いは、一対の装着具を積極的に相対動作させることで、着用者の筋力を補助する。
このような筋力補助装置は、ブレーキやクラッチ等の切替手段を有しており、筋力補助を行う場合に、一方の装着具に保持された駆動手段から出力された力が、切替手段を介し、他方の装着具に伝達される。一方、筋力補助を行わない場合には、切替手段によって駆動手段から出力された力は遮断され、これにより、着用者の動作が駆動手段によって拘束を受けることはない。
ところで、肩関節は、複数の軸を中心とした胴に対する上腕の動作、具体的には、屈曲・伸展運動、内旋・外旋運動、内転・外転運動を可能にしている。その一方で、筋力補助装置の着用者は、上腕の近傍に位置する筋力補助装置の構成要素、とりわけ構造的に大型化しがちな切替手段が上腕の可動範囲に位置して上腕と干渉することで、筋力補助を行われない上腕の動作を制限されてしまう可能性がある。本発明は、このような点を考慮してなされたものであって、着用者が受ける動作の制限を軽減し得る筋力補助装置を提供することを目的とする。
本発明による第1の筋力補助装置は、
胴に取り付けられる第1装着具に保持された駆動手段と、
上腕に取り付けられる第2装着具へ前記駆動手段から出力された力を伝達する伝達手段と、を備え、
前記伝達手段は、前記第2装着具に接続した出力軸部材と、前記駆動手段から前記出力軸部材への力の伝達および遮断を切り替え可能な切替手段と、を有し、
前記切替手段は、前記出力軸部材の後方、上方又は側外方に位置している。
本発明による第1の筋力補助装置において、前記切替手段は、前記出力軸部材の後方に位置するようにしてもよい。
本発明による第1の筋力補助装置において、
前記第1装着具は、背中に対面する位置において胴に取り付けられる中央フレームと、前記中央フレームと相対回転可能な側方フレームと、を有し、
前記切替手段は、前記側方フレームに支持されていてもよい。
本発明による第1の筋力補助装置において、前記駆動手段のうちの前記伝達手段と接続される部分は、前記側方フレームに支持されていてもよい。
本発明による第1の筋力補助装置において、前記伝達手段は、力の伝達経路に沿って前記出力軸部材と前記切替手段との間に位置する軸部材であって、前記出力軸部材の回転軸線と非平行な回転軸線を中心として回転可能な軸部材を、さらに有するようにしてもよい。
本発明による第2の筋力補助装置は、
胴に取り付けられる第1装着具に保持された駆動手段と、
前記駆動手段から出力され力の、上腕に取り付けられる前記第2装着具への、伝達および遮断を切り替え可能な切替手段と、を備え、
前記切替手段は、肩関節の後方、上方又は側外方に位置する、筋力補助装置。
本発明による第2の筋力補助装置において、前記切替手段は、前記肩関節の後方に位置するようにしてもよい。
本発明による第1または第2の筋力補助装置において、
前記切替手段は、前記第2装着具に連結された第1部材と、前記駆動手段と接続し且つ前記第1部材と相対接離可能な第2部材と、を有し、
前記第1部材は、前記第1装着具に対して相対回転可能に保持され、
前記第2部材は、前記第1部材の回転軸線を中心とした径方向から前記第1部材に対して接触可能となっていてもよい。
本発明によれば、着用者が受ける動作の制限を軽減することができる。
図1は、本発明の一実施の形態を説明するための図であって、筋力補助装置を着用者とともに示す斜視図である。 図2は、図1の筋力補助装置を示す斜視図である。 図3は、図1の筋力補助装置の一部分を前方から示す図である。 図4は、図1の筋力補助装置の一部分を側外方から示す図である。 図5は、図1の筋力補助装置の一部分を後方から示す図である。 図6は、図1の筋力補助装置の動力伝達機構を説明するための図である。 図7は、筋力補助装置の位置制御装置の要部を側外方から示す図である。 図8は、筋力補助装置の位置制御装置の要部を、図7に示された状態とは異なる状態で、側外方から示す図である。 図9は、筋力補助装置の位置制御装置の要部を、図7及び図8に示された状態とは異なる状態で、側外方から示す図である。 図10は、筋力補助装置10の一変形例を示す図であって、筋力補助装置を着用者とともに示す斜視図である。 図11は、図10の筋力補助装置の一部分を前方から示す図である。 図12は、図10の筋力補助装置の一部分を側外方から示す図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図1〜図12は、本発明の一実施の形態及びその変形例を説明するための図である。このうち、図1及び図2は、筋力補助装置10の全体を示す斜視図であり、とりわけ図1は、人体に装着した状態にて筋力補助装置10を示している。筋力補助装置10は、第1回転軸線d1を中心として相対回転可能な第1装着具20及び第2装着具25と、第1装着具20及び第2装着具25の相対位置、言い換えると、第2装着具25の第1装着具20に対する回転位置を制御する位置制御装置15と、を有している。位置制御装置15は、第1装着具20に保持された駆動手段30と、駆動手段30から出力された力を第2装着具25まで伝達する伝達手段35と、駆動手段30及び伝達手段35の動作を制御する制御部16と、を有している。図1に示すように、第1装着具20及び第2装着具25は、肩関節によって接続された人体の二つの部位、すなわち胴および上腕にそれぞれ取り付けられる。位置制御装置15は、第1装着具20及び第2装着具25の相対位置を制御して、上腕の胴に対する相対位置の維持及び/又は上腕の胴に対する相対動作を補助する。とりわけここで説明する筋力補助装置10には、着用者が受ける動作の制限を軽減し得るようにするための工夫がなされている。
図1に示すように、肩関節は、上腕を胴体に対して屈伸軸daを中心として相対回転させる屈曲伸展運動と、上腕を胴体に対して内外転軸dbを中心として相対回転させる内転外転運動と、上腕を胴体に対して内外旋軸dcを中心として相対回転させる内旋外旋運動と、を可能にする。そして、図示された筋力補助装置10は、後述するように、上腕が下がらないように所定の位置に保持することを補助し、さらに、上腕を前方に持ち上げる屈曲運動を補助する。その一方で、後述するように、筋力補助装置10は、上腕の内転外転運動や内旋外旋運動を制限しないための工夫を施されている。
また図示された例において位置制御装置15は、駆動力の出力部としての出力軸部材76を有している。出力軸部材76は、第1回転軸線d1を中心として第1装着具20に対して相対回転可能となっている。この出力軸部材76が、第2装着具25と接続している。出力軸部材76の回転軸線となる第1回転軸線d1は、肩の屈伸軸daに対応して設けられている。第2装着具25が第1装着具20に対して第1回転軸線d1を中心として相対回転することにより、肩関節を中心とした、上腕の屈曲運動及び伸展運動が可能となる。
なお、本発明による筋力補助装置は、図示された例に限られず、屈曲運動、伸展運動、内転運動、外転運動、内旋運動、外旋運動のいずれか一以上を補助するようにしてもよい。
以下、図示された具体例を参照しながら、各構成要素について順に説明していく。なお、以下で参照する図1〜図12においては、理解の容易を図るため、一の図面で示されている構成要素が、他の図面に省略されていることもある。
まず、第1装着具20について説明する。図1及び図2に示すように、第1装着具20は、中央フレーム21及び側方フレーム22を有している。中央フレーム21には、装着ベルト11(図3〜図5)が取り付けられるベルト保持部21aが設けられている。中央フレーム21が、装着ベルト11を介して着用者の胴体、とりわけ背中に対面する位置に取り付けられる。側方フレーム22は、中央フレーム21から横方向外方に延び出している。側方フレーム22は、中央フレーム21に接続した後方フレーム部22aと、後方フレーム部22aの横方向外方端から前方に延び出した前方延出フレーム部22bと、を有している。後方フレーム部22aは、肩に後方から対面する位置に配置されている。前方延出フレーム部22bは、肩に横方向外方から対面する位置に配置されている。側方フレーム22は、中央フレーム21に対して、第3回転軸線d3を中心として相対回転可能に接続されている。この第3回転軸線d3は、肩の内外旋軸dcに対応して設けられている。側方フレーム22が中央フレーム21に対して第3回転軸線d3を中心として相対回転することにより、肩関節を中心とした、上腕の内旋運動及び外旋運動が可能となる。
上腕の動作を補助する図示された筋力補助装置10は、両方の上腕に作用するように構成されている。具体的には、中央フレーム21の両側方にそれぞれ側方フレーム22が設けられている。各側方フレーム22に、位置制御装置15の伝達手段35等が支持されている。また、各側方フレーム22に対応して、第2装着具25が設けられている。中央フレーム21を中心として両側方に設けられた一対の構成要素は、対称性を有しているものの、その他において同一に構成され得る。したがって、以下の説明および図3〜図9及び後述する図11,図12においては、右肩に作用する構成について記載する。
また、本明細書で用いる「前」、「後」、「上」、「下」及び「横方向」等の用語は、筋力補助装置10を着用した着用者を基準とする「前」、「後」、「上」、「下」及び「横方向」を意味することとする。また、「幅方向」とは「横方向」を意味している。
次に、第2装着具25について説明する。図3は、前方(正面)から、第2装着具25を示している。第2装着具25は、詳しくは後述する伝達手段35の出力軸部材76と接続している。第2装着具25は、出力軸部材76の回転にともなって、出力軸部材76の回転軸線である第1回転軸線d1を中心として回転する。第2装着具25は、人体に取り付けられる装着部26と、出力軸部材76と固定された作用部28と、装着部26と作用部28とを連結する連結部27と、を有している。作用部28は、伝達手段35の最下流側(最出力側)となる出力軸部材76から駆動手段30で発生された力を入力される。連結部27は、出力軸部材76の第1装着具20に対する回転にともなって装着部26が第1装着具20に対して回転するよう、作用部28と装着部26とを連結している。
図示された例において、装着部26は、人体の上腕に取り付けられる。装着部26は、位置制御装置15から供給される力を上腕に効率的に伝達するため、第1回転軸線d1周りの回転にともなった移動方向への上腕との相対移動を規制されることが好ましい。とりわけ筋力補助装置が上腕の持ち上げ運動(屈曲運動)を補助する場合には、上腕の装着部26に対する後方への相対移動を効果的に規制することが好ましい。図3によく示されているように、図示された装着部26は、上腕が挿入される筒状部を形成するベルト保持部26a及び腕ベルト26bと、連結部27と接続するブラケット26cと、を有している。ベルト保持部26a及びブラケット26cは、例えば、高剛性の樹脂成形物等からなる。図示された例において、ベルト保持部26a及びブラケット26cは、一体的に形成されている。図4及び図5に示すように、ベルト保持部26aは、上腕に対して後方から対面する位置に配置される。一方、腕ベルト26bは、柔軟性を有したベルト材からなり、上腕に対して主として前方から対面する位置に配置される。ベルト保持部26aの長さを調節することで、装着部26が上腕を安定して保持することが可能となる。
連結部27は、位置制御装置15から供給される力を装着部26に伝達するため、第1回転軸線d1を中心として、装着部26及び作用部28が相対回転しないように、装着部26及び作用部28を連結している。すなわち、第2装着具25は、位置制御装置15から第1回転軸線d1を中心とした回転力を作用されるため、遊びや構成要素自体の弾性変形を除くと、位置制御装置15から回転力を入力される作用部28と人体に補助力を出力する装着部26は、位置制御装置15から入力される力の方向、つまり第1回転軸線d1を中心とした円周方向に、相対動作しないようになっている。
図示された例において、連結部27は、作用部28に対して第1回転軸線d1と垂直な第2回転軸線d2を中心として相対回転可能となるように、作用部28に接続している。この第2回転軸線d2は、肩の内外転軸dbに対応して設けられている。連結部27が作用部28に対して第2回転軸線d2を中心として相対回転することにより、肩関節を中心とした、上腕の内転運動及び外転運動が可能となる。
着用者の拘束感を軽減する目的からは、連結部27は、第1回転軸線d1に直交する面への投影において、第1回転軸線d1と装着部26との間の距離が変化するように、装着部26と作用部28とを接続していることが好ましい。さらに、着用者の拘束感を軽減する目的からは、連結部27は、第2装着具25が作用部28から装着部26までの間に三自由度を持つ機構を構成するよう、作用部28と装着部26とを連結していることが好ましい。図3によく示されているように、図示された例において、連結部27は、作用部28に対して動作可能に接続した第1リンク27aと、第1リンク27aに動作可能に接続し且つ装着部26に動作可能に接続した第2リンク27bと、を有している。この連結部27によれば、作用部28から装着部26までの構成により、3自由度の動作を行うことができる。言い換えると、装着部26は、作用部28に対して、3自由度の相対動作を行うことができる。
図3〜図5に示された例において、第1リンク27aと第2リンク27bは、第1連結回転軸線d2aを中心として相対回転可能に接続している。第1連結回転軸線d2aは、第1回転軸線d1と垂直であり、第2回転軸線d2と平行になっている。第2リンク27bと装着部26は、第2連結回転軸線d2bを中心として相対回転可能に接続している。第1連結回転軸線d2aは、第1回転軸線d1と垂直であり、第2回転軸線d2と平行になっている。
また、図3に示すように、第2回転軸線d2と直交する面内において、連結部27の第1リンク27a及び第2リンク27bの接続位置(以下において、「中間接続位置」とも呼ぶ)mjは、連結部27と作用部28との接続位置(以下において、「基端側接続位置」とも呼ぶ)pjと、連結部27と装着部26との接続位置(以下において、「先端側接続位置」とも呼ぶ)djと、を通過する仮想直線vslに対して常に一方の側に位置している。とりわけ図示された例においては、構造的に、中間接続位置mjが、常に、基端側接続位置pj及び先端側接続位置djを通過する仮想直線vslの一方側に位置するようになっている。つまり、連結部27の両端が最も離間するように伸張した場合においても、中間接続位置mjは、仮想直線vsl上まで到達しない。そして、図示された例において、中間接続位置mjは、仮想直線vslに対して、出力軸部材76と同一の側に位置している。図3に示すように、中間接続位置mjは、出力軸部材76とともに、仮想直線vslを挟んで人体とは反対側に位置している。この構成によれば、連結部27が短縮した際に、連結部27の中間部が、人体に接触してしまうことを効果的に回避することができる。
なお、図3に示された例では、連結部27が、付勢部材として機能する付勢材27cを有している。付勢材27cは、第1リンク27a及び第2リンク27bに跨がって配置されている。付勢材27cは、第2リンク27b及び装着部26の自重に抗して、第2リンク27b及び装着部26をいくらか引き上げ、これにより図3に示すように、第1リンク27a及び第2リンク27bを屈曲した状態に維持する。連結部27は、図3に示された状態から、その両端間の距離を長くするように曲がること及び短くするように曲がることの両方可能となっている。
ただし、図示された例とは異なり、連結部27が、最も伸張した場合に仮想直線vslに位置するようにしてもよいし、また、中間接続位置mjが、仮想直線vslの両側に位置することが可能となっていてもよい。このような筋力補助装置10については、人体に装着した実際の使用中において連結部27が最も伸張する条件で、中間接続位置mjが、仮想直線vslの一方の側、とりわけ出力軸部材76と同一の側で人体とは反対側に、位置することが好ましい。この場合、筋力補助装置10の使用中に、連結部27の中間部が、人体に接触してしまうことを効果的に回避することができる。
次に、位置制御装置15について説明する。上述したように、位置制御装置15は、第1装着具20及び第2装着具25の相対位置を制御する。位置制御装置15は、第1装着具20に保持された駆動手段30と、駆動手段30から出力された力を第2装着具25まで伝達する伝達手段35と、駆動手段30及び伝達手段35の動作を制御する制御部16と、を有している。制御部16は、例えば第2装着具25に設けられた図示しない検出手段によって着用者の動作を検出し且つその検出結果に基づき、他の例として着用者等からの外部入力に基づき、制御信号を送出して駆動手段30及び伝達手段35の動作を制御することができる。
まず、駆動手段30について説明する。駆動手段30は、いわゆるアクチュエータを含んでおり、伝達手段35に力を出力する。図示された例において、位置制御装置15は、伸縮可能なアクチュエータ、言い換えると、その長手方向長さを変化させる直動型のアクチュエータ31を有している。図5に示すように、アクチュエータ31は、一端において、伝達手段35に接続している。アクチュエータ31は、その他端において、第1装着具20の側方フレーム22(後方フレーム部22a)に接続している。駆動手段30に要求される駆動力に応じて、複数のアクチュエータ31を設けることができる。
アクチュエータ31として、流体圧により膨張および収縮可能な部材を用いることができる。一具体例として、アクチュエータ31として、流体圧式アクチュエータとして知られたMcKibben人工筋肉を用いることができる。McKibben人工筋肉からなるアクチュエータ31は、流体(典型的には、気体)を内部に供給されることで、拡径するとともに短縮する。アクチュエータ31は、この短縮にともなって、収縮力を発生させる。図示された例において、駆動手段30は、アクチュエータ31に流体を供給可能な流体源(流体圧源)32を有している。図5に示すように、例えばコンプレッサとして構成された流体源32が、第1装着具20の中央フレーム21に支持されている。
次に、伝達手段35について説明する。伝達手段35は、駆動手段30から出力された力を第2装着具25まで伝達する。図6に示すように、ここで説明する伝達手段35は、駆動手段30から出力された力の第2装着具25への伝達および遮断を切り替える切替手段40を含んでいる。図6は、アクチュエータ31及び第2装着具25とともに、伝達手段35の構成を示す斜視図である。図6においては、理解の容易を図るため、第1装着具20等を省略している。
切替手段40は、第1部材41及び第2部材46を有しており、詳しく後述するようにドラムブレーキ機構39として機能する。第1部材41は、第1中間回転軸線d1aを中心として回転可能に、第1装着具20の側方フレーム22、とりわけ後方フレーム部22aに支持されている。第2部材46は、直動運動するアクチュエータ31の一端と接続している。第1部材41及び第2部材46は、相対接離可能である。すなわち、第1部材41及び第2部材46は、互いから離間する動作、及び、互いに接近する動作を行うことができる。とりわけ図示された例において、第1部材41及び第2部材46は、互いから離間した相対位置、及び、互いに接触した相対位置をとることができる。第1部材41は、第2部材46から離間した位置において、第2部材46に拘束されることなく回転することができる。第2部材46は、第1部材41と接触した状態において、第1部材41の回転位置を保持する。言い換えると、第2部材46は、第1部材41と接触した状態において、第2部材46と第1部材41との相対動作、とりわけ相対回転を規制する。
図示された例において、第1部材41は、第2装着具25に連結している。ここで第1部材41が第2装着具25に連結するとは、第1部材41が第2装着具25と連動すること、より詳しくは、第1部材41の動作に応じて第2装着具25が動作することを意味している。したがって、第1部材41及び第2部材46の相対位置を調節することで、第2装着具25を介して着用者の上腕を所定に位置に維持することができる。また、後述するように、第1部材41を第2部材46とともに回転させることで、第2装着具25を介して着用者の上腕の動作を補助することができる。
切替手段40の具体的な構成は後述するとして、先に、主として図6を参照しながら、伝達手段35の切替手段40以外の構成について説明する。図6に示された例において、伝達手段35は、切替手段40に加えて、切替手段40の第1部材41と接続した第1中継軸部材71と、第1中継軸部材71と連動する第2中継軸部材73と、第2中継軸部材73と連動する出力軸部材76と、を有している。
第1中継軸部材71は、第1装着具20の側方フレーム22をなす後方フレーム部22aに保持されている。第1中継軸部材71は、第1中間回転軸線d1aを中心として回転可能に保持されている。第1部材41は、第1中継軸部材71に固定されている。これにより、第1部材41は、側方フレーム22の後方フレーム部22aに支持され、且つ、第1中継軸部材71と同期して第1中間回転軸線d1aを中心として回転する。第1中継軸部材71には、第1伝達歯車72が固定されている。第1伝達歯車72は、例えば平歯車として構成されている。
第2中継軸部材73は、第1装着具20の側方フレーム22をなす前方延出フレーム部22bに保持されている。第2中継軸部材73は、第2中間回転軸線d1bを中心として回転可能に保持されている。第2中継軸部材73には、第2伝達歯車74が固定されている。第2伝達歯車74は、第2中継軸部材73の一方の端部(後方端部)近傍に配置されている。この第2伝達歯車74は、第1伝達歯車72と螺合し、したがって、第2中継軸部材73は、第1中継軸部材71と連動する。第2伝達歯車74は、第1伝達歯車72に対応した構成を有しており、例えば平歯車として構成されている。図示された例において、第2中継軸部材73の回転軸線である第2中間回転軸線d1bは、第1中継軸部材71の回転軸線である第1中間回転軸線d1aと平行になっている。第1中継軸部材71の他方の端部(前方端部)近傍には、第3伝達歯車75が固定されている。第3伝達歯車75は、図示は省略するものの、例えばはすば歯車として構成されている。
出力軸部材76は、第2中継軸部材73と同様に、前方延出フレーム部22bに保持されている。既に説明したように、出力軸部材76は、第1回転軸線d1を中心として回転可能に保持されている。出力軸部材76には、第4伝達歯車77が固定されている。第4伝達歯車77は、出力軸部材76の一方の端部(外方端部)近傍に配置されている。この第4伝達歯車77は、第3伝達歯車75と螺合し、結果として、出力軸部材76は、第2中継軸部材73、第1中継軸部材71及び切替手段40の第1部材41と連動する。第4伝達歯車77は、第3伝達歯車75に対応した構成を有しており、例えばはすば歯車として構成されている。図示された例において、出力軸部材76の回転軸線である第1回転軸線d1は、第2中継軸部材73の回転軸線である第2中間回転軸線d1bと垂直であり且つ高さ方向にずれている。出力軸部材76の他方の端部(内方端部)は、第2装着具25の作用部28に固定されている。
次に、主として図7〜図9を参照して、切替手段40の詳細について説明する。図4に示すように、図示された例において、切替手段40は側方フレーム22に保持されている。切替手段40は、側方フレーム22の人体側とは反対側、すなわち側方フレーム22の背面側に配置されている。切替手段40は、図4に示すように、伝達手段35の最下流側をなす出力軸部材76よりも後方に位置し、また、筋力補助装置10を着用した着用者の肩関節よりも後方に位置している。
まず、第1部材41について説明する。図7に示すように、第1部材41は、第1中継軸部材71に固定された回転ドラム42を有している。回転ドラム42は円板状の外径を有し、回転ドラム42の中心軸線は、第1中継軸部材71の回転軸線である第1中間回転軸線d1a上に位置している。回転ドラム42は、第1中継軸部材71を介して、側方フレーム22の後方フレーム部22aに保持されている。回転ドラム42の板面が、後方フレーム部22aの平面方向に揃っている。したがって、回転ドラム42が、着用者の身体から大きく突出することを効果的に防止することができる。回転ドラム42は、その表層部に摩擦層42aを有している。摩擦層42aは、後述する第2部材46と接触するようになる部位である。摩擦層42aは、第2部材46との間でより大きな摩擦力を生み出すゴム等から形成され得る。
次に、第2部材46及び第2部材46に関連する構成について説明する。図7〜図9に示すように、第2部材46は、第1揺動部材47a及び第2揺動部材47bを含んでいる。このうち、第1揺動部材47aが、そのブラケット48bを介して、アクチュエータ31と接続している。また、切替手段40は、プレート状に形成された一対の支持体50を有している。第2部材46(揺動部材47a,47b)は、一対の支持体50によって動作可能、とりわけ揺動可能に保持されている。図4に示すように、一対の支持体50は、第1中間回転軸線d1aと平行な方向に配列され、回転ドラム42並びに一対の揺動部材47a,47bは、一対の支持体50の間に位置している。回転ドラム42は、支持体50に対して第1中間回転軸線d1aを中心として相対回転可能となっている。すなわち、回転ドラム42は、一対の支持体50の間において、支持体50に対して回転可能となっている。なお、図7〜図9においては、手前側の支持体50を省略している。
図7〜図9に示すように、各揺動部材47a,47bは、円弧状の外形状を有している。各揺動部材47a,47bは、一方の端部部分を中心として、支持体50に対して揺動可能となっている。揺動部材47a,47bの揺動軸線は、第1中間回転軸線d1aと平行になっている。一対の支持体50の間となるスペースにおいて、回転ドラム42は、一対の揺動部材47a,47bの間に配置されている。各揺動部材47a,47bは、第1部材41の回転ドラム42に対して第1中間回転軸線d1aを中心とした径方向外方から対面している。一対の揺動部材47a,47bによって、回転ドラム42の外周面の多くの部分が覆われている。揺動部材47a,47bは、支持体50に対して揺動することで、第1中間回転軸線d1aを中心とした径方向外方から回転ドラム42に当接することができる。すなわち、第1部材41及び第2部材46は、ドラムブレーキ機構39を形成している。第2部材46をなす各揺動部材47a,47bは、円弧状の本体部48と、第1部材41に当接する第2接触面46aを形成する摩擦体49と、を有している。摩擦体49は、回転ドラム42の摩擦層42aに接触し摩擦層42aとの間で摩擦力を生む。摩擦層42aは、十分な摩擦力を生み出す材料、例えばゴム等から形成される。
また、図示された例において、切替手段40は、揺動部材47a,47bが回転ドラム42から離間するよう付勢する付勢手段として、付勢部材52をさらに有している。付勢部材52は、支持体50に固定された支持ベース51と、各揺動部材47a,47bのブラケット48cと、の間に配置されている。図示された例において、付勢部材52は、引っ張りバネによって形成されている。
さらに、各揺動部材47a,47bをなす本体部48は同期歯車48aを有している。この同期歯車48aによって、一対の揺動部材47a,47bの揺動動作が調整される。具体的には、一対の同期歯車48aの噛み合いにより、一対の揺動部材47a,47bが同期して対称的に回転ドラム42に対して動作する。したがって、アクチュエータ31からの作用により第1揺動部材47aが回転ドラム42に接触している際に、第2揺動部材47bも回転ドラム42に接触する。また、アクチュエータ31からの作用により第1揺動部材47aが回転ドラム42から離間すると、第2揺動部材47bも回転ドラム42から離間する。
ところで、図示された例において、支持体50は、第1装着具20の側方フレーム22をなす後方フレーム部22aに支持されている。ただし、この支持体50は、後方フレーム部22aに対して回転可能となっている。具体的には、支持体50は、第1中継軸部材71に対して第1中間回転軸線d1aを中心として回転可能に保持されており、結果として、後方フレーム部22aに対して回転可能となっている。したがって、支持体50に支持された第2部材46および支持体50に固定された支持ベース51等も、第1装着具20に対して固定されておらず、第1装着具20に対して第1中間回転軸線d1aを中心として相対回転可能となっている。
その一方で、切替手段40は、支持体50や第2部材46の自由な回転を規制するための調整手段37を更に有している。調整手段37から供給される力と、駆動手段30から供給される力とのバランスにより、第1部材41、第2部材46及び支持体50の状態が制御されるようになる。図示された例において、この調整手段37は、支持体50や第2部材46を一方向に付勢する付勢部材38として形成されている。付勢部材38は、その一端を、側方フレーム22の後方フレーム部22aに取り付けられ、その他端を、第2揺動部材47bのブラケット48cに取り付けられている。図示された例において、付勢部材38は、付勢手段をなす引っ張りバネによって形成されている。
図示された位置制御装置15では、アクチュエータ31が図7に示された状態から縮むと、図8に示すように、アクチュエータ31が、第2部材46をなす第1揺動部材47aを引き寄せる。これにより、一対の揺動部材47a,47bが第1部材41をなす回転ドラム42に当接する。図8に示された状態において、第2部材46は第1部材41を保持し、第2部材46と第1部材41との相対回転が規制される。なお、このとき、アクチュエータ31から加えられる力は、調整手段37をなす付勢部材38からの付勢力よりも小さい。すなわち、第2部材46をなす揺動部材47a,47bを支持体50に対して揺動させるのに要する力は、第1装着具20に対して支持体50を回転指せるのに要する力よりも小さくなっている。したがって、支持体50が第1装着具20に対して回転する前に、第2部材46をなす揺動部材47a,47bが支持体50に対して揺動する。
次に、アクチュエータ31が図8に示された状態から更に縮むと、アクチュエータ31が、第1揺動部材47aを更に引き寄せようとする。アクチュエータ31から出力される力が、調整手段37をなす付勢部材38からの付勢力よりも大きくなると、図9に示すように、アクチュエータ31は、この付勢力に抗して支持体50を第1装着具20に対して回転させることで、第1揺動部材47aを更に引き込む。すなわち、アクチュエータ31から出力される力は、第1装着具20に対して支持体50を回転させるのに要する力よりも大きくなっている。結果として、第2部材46は、支持体50等とともに第1中間回転軸線d1aを中心として回転する。このとき、第1部材41は、第2部材46と接触し、第2部材46との相対回転を規制されている。したがって、第1部材41は、第2部材46と同期して第1中間回転軸線d1aを中心として回転する。
駆動手段30の動作は、制御部16によって制御される。図1に示された例において、制御部16は、流体源32とともに、第1装着具20の中央フレーム21に支持されている。制御部16は、流体源32からアクチュエータ31への流体(例えば空気)の供給およびアクチュエータ31からの流体の排気を制御することで、アクチュエータ31の動作を制御する。
次に、以上のような構成からなる筋力補助装置10の動作について説明する。
図1に示すように、まず、装着ベルト11を用いて、第1装着具20の中央フレーム21を胴体に取り付ける。また、第2装着具25の装着部26を上腕に取り付ける。
図示された筋力補助装置10は、図7に示された自由回転モード、図8に示された回転制動モード、及び、図9に示された回転駆動モードのいずれかに維持され得る。
まず、図7に示された自由回転モードでは、アクチュエータ31内の流体が排気され、アクチュエータ31は伸張している。したがって、第2部材46の揺動部材47a,47bは、アクチュエータ31から、第1部材41をなす回転ドラム42に向けた力を受けていない。その一方で、第2部材46をなす揺動部材47a,47bは、付勢部材52によって、第1部材41をなす回転ドラム42から離間する向きに付勢されている。したがって、自由回転モードでは、第1部材41は、第1中間回転軸線d1aを中心とした回転を、第2部材46によって規制されることなく、第1中間回転軸線d1aを中心として自由に回転することができる。
なお、第2部材46および第2部材46を支持する支持体50は、付勢部材37をなす付勢部材38からの付勢力(引っ張り力)により、図7において時計回り方向に回転する力を受けている。ただし、調整手段37からの力は、主として、第2部材46及び支持体50の第1装着具20に対する回転に影響を与えるものであり、第2部材46の支持体50に対する揺動に影響を与えにくい向きの力となっている。したがって、自由回転モードでは、第1部材41と第2部材46は、互いから離間した状態となる。
この自由回転モードでは、第1部材41に連動する第2装着具25は、第1装着具20に対して自由に回転することができる。したがって、筋力補助装置10の着用者は、第2装着具25の装着部26が装着された上腕を、第1回転軸線d1を中心として、胴体に対して自由に回転させることができる。すなわち、着用者は、筋力補助装置10に拘束されることなく、屈曲運動及び伸展運動を行うことができる。
次に、図8に示された回転制動モードでは、流体源32からアクチュエータ31内に流体が供給され、アクチュエータ31が短縮する。アクチュエータ31が短縮することにより、駆動手段30は、第1揺動部材47aを引き寄せるよう、当該第1揺動部材47aに作用する。図8に示すように、アクチュエータ31から第1揺動部材47aに加えられた力は、第1揺動部材47aを第1部材41をなす回転ドラム42に向けて動作させる。図8に示すように、揺動部材47a,47bの摩擦体49によって形成された第2接触面46aが、回転ドラム42の外周面をなす摩擦層42aによって形成された第1接触面41aに当接する。摩擦体49と摩擦層42aとの摩擦力により、第2部材46が第1部材41を保持する。これにより、第2部材46と第1部材41との相対回転が規制され、結果として回転ドラム42及び出力軸部材76の回転が規制される。
この回転制動モードでは、第2装着具25の第1装着具20に対する相対回転が規制される。例えば、筋力補助装置10は、持ち上げた上腕を、その位置に維持することを補助し、上腕が下がってしまうことを効果的に抑制することができる。なお、第2部材46は、調整手段37及び駆動手段30に接続しているものの、第1装着具20に対して支持体50とともに回転可能となっている。したがって、着用者は、図6に示された状態から、調整手段37の付勢力に抗して支持体50を回転させることで、上腕をさらに持ち上げることが可能である。
図9に示された回転駆動モードでは、流体源32からアクチュエータ31内に流体がさらに供給され、アクチュエータ31がさらに短縮する。アクチュエータ31がさらに短縮することにより、駆動手段30は、第1揺動部材47aをさらに引き寄せる。アクチュエータ31から揺動部材47aに加えられた力は、第1揺動部材47aを回転ドラム42に当接させた状態で、さらに、調整手段37の付勢力に抗して支持体50を回転させ、第2部材46を第1部材41とともに第1中間回転軸線d1aを中心として回転させる。図9において、第2部材46と第1部材41とが相対回転を規制された状態で、第2部材46及び第1部材41が同期して反時計周りに回転する。
この回転駆動モードでは、第2装着具25が、第1部材41の回転にともなって、第1装着具20に対して相対回転するよう駆動される。すなわち、筋力補助装置10は、例えば、上腕を持ち上げることを補助する。
なお、回転駆動モードを終了させる際には、駆動手段30は、第2装着具25を第1装着具20に対して回転させるための駆動力を解除する。このとき、駆動手段30は、第1部材41と第2部材46との相対回転を規制するための駆動力の供給を維持するようにしてもよい。すなわち、回転駆動モードを終了させた後、自由回転モードではなく、回転制動モードに移行するようにしてもよい。
ところで、肩関節は、複数の軸を中心とした胴に対する上腕の動作を可能にしている。したがって、筋力補助装置によって、筋力を補助される屈伸軸daを中心とした上腕の屈曲・伸展運動だけでなく、内外転軸dbを中心とした上腕の内転・外転運動および内外旋軸dcを中心とした上腕の内旋・外旋運動も可能としている。したがって、筋力補助装置が着用者に着用された状態において、筋力補助装置の構成要素の一部が、上腕の可動範囲内、とりわけ筋力を補助されない上腕の可動範囲内に位置し、上腕の動作を阻害してしまう可能性がある。
この点、本実施の形態において、筋力補助装置10は、胴に装着される第1装着具20に保持された駆動手段30と、上腕に装着される第2装着具25へ駆動手段30から出力された力を伝達する伝達手段35と、を有している。伝達手段35は、第2装着具25に接続した出力軸部材76と、駆動手段30から出力軸部材76への力の伝達および遮断を切り替え可能な切替手段40と、を有している。そして、切替手段40は、出力軸部材67の後方に位置するようになっている。一般的に、屈曲・伸展運動、内旋・外旋運動および内転・外転運動における上腕の可動範囲は、肩関節の前方、下方、側内方に大きく広がる。したがって、筋力補助装置10の構成要素のうち、大型化しやすい切替手段40を、出力軸部材76の後方、上方又は側外方に配置することで、筋力を補助される動作だけでなく、筋力を補助されない動作を切替手段40が阻害してしまうことを効果的に回避することができる。したがって、上述してきた本実施の形態では、切替手段40が、出力軸部材76の後方に位置しており、切替手段40が大きく上腕の可動範囲内に入り込んでしまうことを回避することができる。これにより、本実施の形態によれば、筋力補助装置10を装着することで着用者が受ける制限を軽減することができる。さらに、後方に配置された切替手段40は、着用者から離れた位置ではなく、例えば、着用者の背中の近傍に配置することが可能となる。この場合、切替手段40の動作時に生じる慣性力を効果的に小さくすることができるため、筋力補助装置10の背中への取り付け状態を安定させ、これにより、筋力補助装置10を用いて筋力補助力を着用者へ安定して有効に負荷することができる。
また、本実施の形態において、筋力補助装置10は、胴に装着される第1装着具20に保持された駆動手段30と、駆動手段30から出力された力の上腕に装着される第2装着具25への伝達および遮断を切り替え可能な切替手段40と、を有している。そして、切替手段40は、肩関節の後方に位置するようになっている。上述したように、第1装着具20が装着される胴と第2装着具25が装着される上腕との間に位置する肩関節は、複数の軸da,db,dcを中心とした胴に対する上腕の動作、具体的には、屈曲・伸展運動、内旋・外旋運動、内転・外転運動を可能にする。これらの動作における多くの場合、上腕の可動範囲は、肩関節の前方、下方、側内方に広がる。したがって、切替手段40を、肩関節の後方、上方又は側外方に配置することで、筋力を補助される動作だけでなく、筋力を補助されない動作を切替手段40が阻害してしまうことを効果的に回避することができる。これにより、上述してきた本実施の形態によれば、着用者が受ける制限を軽減することができる。
さらに、本実施の形態によれば、第1装着具20は、着用者の背中に対面する位置において胴に取り付けられる中央フレーム21と、中央フレーム21と相対回転可能な側方フレーム22と、を有している。切替手段40は、側方フレーム22に支持されている。このような配置によれば、筋力を補助される動作(上述した例では屈曲運動)とは別の肩の動作(例えば、内旋・凱旋運動)にともない、切替手段40は側方フレーム22とともに移動することができる。したがって、筋力を補助される動作とは異なる動作を上腕が行った場合にも、切替手段40から第2装着具25に接続した出力軸部材76までの構成要素の相対位置関係を維持することが可能となる。これにより、切替手段40を含む伝達手段35によって、第2装着具25へ筋力補助力をより安定して伝達することができる。また、切替手段40を支持した側方フレーム22が中央フレーム21に対して回転することで、上腕の動作に合わせて切替手段40が移動することが可能となる。したがって、切替手段40が上腕の動作を阻害してしまうことをより効果的に防止することができる。
さらに、本実施の形態によれば、駆動手段30のうちの伝達手段35と接続される部分は、側方フレーム22に支持されている。すなわち、このような配置によれば、駆動手段30のうちの伝達手段35と接続される部分と伝達手段35が、共に、側方フレーム22に支持されているので、側方フレーム22と中央フレーム21との相対回転の影響を受けることなく、駆動手段30から位置制御装置15へ補助力を安定して出力することができる。これにより、駆動手段30から第2装着具25へ伝達手段35を介して筋力補助力をより安定して伝達することができる。
さらに、本実施の形態によれば、伝達手段35は、力の伝達経路に沿って出力軸部材76と切替手段40との間に配置された第2中継軸部材73を有している。そして、この出力軸部材76の回転軸線d1と非平行な回転軸線d1b、とりわけ垂直な回転軸線d1bを中心として回転可能となっている。このような第2中継軸部材73を設けることによって、切替手段40が動作中の上腕と干渉することをより効果的に防止することができる。
さらに、本実施の形態によれば、切替手段40は、第2装着具25に連結された第1部材41と、駆動手段30と接続し且つ第1部材41と相対接離可能な第2部材46と、を有している。第1部材41は、第1装着具20に対して相対回転可能に保持されている。第2部材46は、第1部材41の回転軸線d1aを中心とした径方向から第1部材41に対して接触可能となっている。このような切替手段40は、ドラムブレーキ機構39として機能することができる。そして、この切替手段40では、第1部材41を大径にすると、第1部材41と第2部材46との間での摩擦力を大きくして力をより確実に伝達することができる。本実施の形態では、切替手段40の配置が工夫されていることから、第1部材41を大径としても、切替手段40が動作中の上腕と干渉することをより効果的に防止することができる。したがって、ここで説明した切替手段40の配置は、第1部材41及び第2部材46を有した切替手段40に好適である。
以上、本発明を図示する一実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。以下、変形の一例について説明する。以下の説明では、上述した実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いるとともに、重複する説明を省略する。
上述した一実施の形態において、切替手段40が出力軸部材76の後方に配置され、また、切替手段40が肩関節の後方に配置される例を示した。しかしながら、上述したように、第1装着具20が装着される胴と第2装着具25が装着される上腕との間に位置する肩関節は、複数の軸da,db,dcを中心とした胴に対する上腕の動作、具体的には、屈曲・伸展運動、内旋・外旋運動、内転・外転運動を可能にする。そして、これらの動作における多くの場合、上腕の可動範囲は、肩関節の前方、下方、側内方に広がる。したがって、切替手段40を出力軸部材76または肩関節の後方に配置することに加え、又は、切替手段40を出力軸部材76または肩関節の後方に配置することに代え、切替手段40を出力軸部材76の上方又は側外方に配置してもよいし、切替手段40を肩関節の上方又は側外方に配置してもよい。このような変形例においても、上述した一実施の形態と同様に、筋力を補助される動作だけでなく、筋力を補助されない動作を切替手段40が阻害してしまうことを効果的に回避することができる。これにより、筋力補助装置10を着用した着用者が上腕の動作に制限を受けることを軽減することができる。
なお、切替手段40を出力軸部材76または肩関節の上方又は側外方に配置するには、一例として、上述した一実施の形態において、第1中継軸部材71と第2中継軸部材73との間に力伝達用のベルト材等を配置して動力伝達を確保しながら、アクチュエータ31及び切替手段40とともに第1中継軸部材71の配置を、上方または側外方にずらせばよい。また、別の例として、図10〜図12には、筋力補助装置10の他の例が図示されている。図10〜図12に示す例において、切替手段40は、出力軸部材76及び肩関節の側外方に配置されている。図10〜図12に示された筋力補助装置10において、位置制御装置15は、第1部材41及び第2部材46を有した切替手段40と、切替手段40の第1部材41と相対回転不可能に接続した出力軸部材76と、を有している。第1部材41は、第1回転軸線d1を中心として回転可能となっている。また、第2部材46は、第1回転軸線d1と平行な揺動軸線を中心として揺動可能となっている。さらに、第2部材46と接続したアクチュエータ31及び調整手段37は、第1回転軸線d1と直交する面上に、切替手段40とともに配置されている。
また、上述した一実施の形態において、切替手段40の具体的な構成を説明したが、上述した構成は例示に過ぎない。上述した一実施の形態において、第2部材46が第1部材41とともにドラムブレーキ機構39を構成し、第2部材46の揺動部材47a,47bが第1部材41をなす回転ドラム42に径方向外方から当接する例を示したが、この例に限られず、回転ドラム42が筒状に形成され、回転ドラム42の内部に配置された第1部材41が回転ドラム42に径方向内方から当接して、第1部材41と第2部材46との相対回転を規制するようにしてもよい。また、切替手段40がラチェット機構として構成され第1部材41との相対回転が規制された状態で第1部材41とともに、駆動手段30からの駆動力によって回転させられるようにしてもよい。
さらに、上述した一実施の形態において、筋力補助装置10の駆動手段30は、アクチュエータ31を駆動するための流体源32を有している例を示したが、この例に限られず、アクチュエータ31を駆動するための流体源として、筋力補助装置10が使用される工場等の用力を使用してもよい。
さらに、上述した一実施の形態において、駆動手段30の具体的な構成を説明したが、上述した構成は例示に過ぎない。上述した一実施の形態において、駆動手段30は第2部材46を引き寄せる力を第2部材46(第1揺動部材47a)に付与することで、第2部材46を第1部材41と当接させる例を示したが、これに限れず。駆動手段30は第2部材46を押し出す力を第2部材46(第1揺動部材47a)に付与することで、第2部材46を第1部材41に当接させるようにしてもよい。そもそも、アクチュエータ31を有する駆動手段30に限られることなく、種々のアクチュエータを駆動手段30として用いることが可能である。
さらに、上述した一実施の形態において、第1部材41及び第2部材46の相対接離が、第2部材46の揺動動作によって、実現されている例を示したが、この例に限られない。例えば、第2部材46が揺動以外の動作を行うことで、第1部材41及び第2部材46の相対接離が実現されるようにしてもよい。また、第2部材46に代えて第1部材41が動作することで、第1部材41及び第2部材46の相対接離が実現されるようにしてもよいし、第2部材46及び第1部材41の両方が動作することで、第1部材41及び第2部材46の相対接離が実現されるようにしてもよい。
さらに、上述した一実施の形態において、筋力補助装置10は、回転駆動モードで、腕を上方に持ち上げる動作のみを補助し、腕を下げる動作を補助しない例を示したが、この例に限られず、腕を下げる動作を補助するようにしてもよい。例えば、上述した一実施の形態において、第2部材46と第1装着具20との間に、付勢部材38として構成された調整部材37が設けられている例を示したが、これに限られず、付勢部材38としての調整手段37に代えて、補助アクチュエータとしての調整手段37を用いることもできる。この変形例によれば、第2部材46に作用する駆動手段30からの力の大きさ及び第2部材46に作用する補助アクチュエータからの力の大きさに依存して、第2部材46が第1部材41とともに第1装着具20に対して静止する位置を、より高い自由度で、制御することができる。すなわち、第1装着具20に対して第2装着具25を固定する位置を、より高い自由度で、調節することができる。また、上腕を降ろすことを補助することも可能となる。
なお、以上において上述した一実施の形態に対するいくつかの変形例を説明してきたが、当然に、複数の変形例を適宜組み合わせて適用することも可能である。

Claims (8)

  1. 胴に取り付けられる第1装着具に保持された駆動手段と、
    上腕に取り付けられる第2装着具へ前記駆動手段から出力された力を伝達する伝達手段と、を備え、
    前記伝達手段は、前記第2装着具に接続した出力軸部材と、前記駆動手段から前記出力軸部材への力の伝達および遮断を切り替え可能な切替手段と、を有し、
    前記切替手段は、前記出力軸部材の後方、上方又は側外方に位置する、筋力補助装置。
  2. 前記切替手段は、前記出力軸部材の後方に位置する、請求項1に記載の筋力補助装置。
  3. 前記第1装着具は、背中に対面する位置において胴に取り付けられる中央フレームと、前記中央フレームと相対回転可能な側方フレームと、を有し、
    前記切替手段は、前記側方フレームに支持されている、請求項1又は2に記載の筋力補助装置。
  4. 前記駆動手段のうちの前記伝達手段と接続される部分は、前記側方フレームに支持されている、請求項3に記載の筋力補助装置。
  5. 前記伝達手段は、力の伝達経路に沿って前記出力軸部材と前記切替手段との間に位置する軸部材であって、前記出力軸部材の回転軸線と非平行な回転軸線を中心として回転可能な軸部材を、さらに有する、請求項1に記載の筋力補助装置。
  6. 胴に取り付けられる第1装着具に保持された駆動手段と、
    前記駆動手段から出力されえた力の、上腕に取り付けられる前記第2装着具への、伝達および遮断を切り替え可能な切替手段と、を備え、
    前記切替手段は、肩関節の後方、上方又は側外方に位置する、筋力補助装置。
  7. 前記切替手段は、前記肩関節の後方に位置する、請求項6に記載の筋力補助装置。
  8. 前記切替手段は、前記第2装着具に連結された第1部材と、前記駆動手段と接続し且つ前記第1部材と相対接離可能な第2部材と、を有し、
    前記第1部材は、前記第1装着具に対して相対回転可能に保持され、
    前記第2部材は、前記第1部材の回転軸線を中心とした径方向から前記第1部材に対して接触可能となっている、請求項1または2に記載の筋力補助装置。
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