WO2021044734A1 - 装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置および腰部負荷評価方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a lumbar load evaluation device and a lumbar load evaluation method using a wearable motion assist device, and is suitable for application to a wearable motion assist device that is mounted on the waist of a wearer to assist the movement of heavy muscle work. It is a thing.
- Low back pain is a disease with a high morbidity, recurrence rate, and chronicity rate, and it is said that 84% of human beings experience it once in a lifetime.
- the load value of the lumbar region (compression force generated on the intervertebral disc of the lumbar spine) is calculated based on the trunk angle and sole load of the human body, and the lumbar region is based on basic human information.
- the burden risk value (allowable value of intervertebral disc compression force) on the lumbar region that leads to the possibility of injury to the lumbar region, and based on the comparison result of the burden value and the burden risk value, the danger of workload is warned in real time.
- a transmission back pain prevention device has been proposed (see Patent Document 1).
- the load applied to each of the plurality of lumbar vertebrae is applied based on the respective positions and orientations of the plurality of lumbar vertebrae in the user, which are calculated from the curvature of the epidermis in the lumbar region of the user and the inclination angle in the upper body.
- a load calculation device for calculating has been proposed (see Patent Document 2).
- the intervertebral disc compression force which is a physical load on the intervertebral disc, has been used as a load evaluation index.
- Patent Documents 1 to 3 also propose a method for preventing low back pain by heavy muscle work using various non-invasive measurement methods.
- Patent Document 1 the load applied to the lumbar region when the worker performs the work is warned in real time of the danger of the work load based on the intervertebral disc compression force and its allowable value.
- the degree of lumbar burden on the heavy object to be worked on is only instantly judged together with the trunk angle.
- Patent Document 2 a case where a load applied to a plurality of lumbar vertebrae is measured, a different assisting force corresponding to each load is given to the user, and a load exceeding a predetermined threshold value continues for a predetermined time.
- the threshold value is simply a predetermined value, it is difficult to predict the risk of chronic low back pain that occurs in the medium to long term.
- Patent Document 3 when the user tries to lift an object, the risk of low back pain is only determined based on the instantaneous difference in the altitude of the lower back. It is difficult to estimate the risk of developing the disease.
- the present invention has been made in consideration of the above points, and a lumbar load evaluation device and a lumbar load evaluation method using a wearable motion assisting device capable of estimating the risk of developing low back pain of a wearer with extremely high accuracy. I'm trying to make a suggestion.
- both thighs of the wearer and one or both of the abdomen and shoulders are fixedly mounted, and the wearable operation assists the movement of the waist of the wearer.
- the trunk angle measuring unit that continuously measures the inclination angle of the waist of the wearer who wears the wearable motion assisting device as the trunk angle of the wearer, and the trunk angle measuring unit that is input from the outside.
- Intervertebral disc compression applied in the vertebral body connection direction of the wearer's disc based on the weight of the object gripped by the wearer, the height and weight of the wearer, and the trunk angle measured by the trunk angle measuring unit.
- the intervertebral disc compression force estimation unit that continuously estimates the force and the intervertebral disc compression force estimated by the intervertebral disc compression force estimation unit are classified according to the load level, and at the same time, the elapsed time is measured in time series for each category. Equipped with an elapsed time measurement unit and a back pain occurrence risk prediction unit that predicts the risk of occurrence of back pain symptoms of the wearer based on the measurement history of the divisional elapsed time measurement unit within the work time of heavy muscle work that handles an object. I made it.
- the lumbar load evaluation device using the wearable motion assist device continuously estimates the intervertebral disc compression force of the wearer based on the weight of the object, the height and weight of the wearer, and the trunk angle of the wearer. Then, while measuring the elapsed time for each category according to the load level of the intervertebral disc compression force in chronological order, predict the risk of developing low back pain symptoms of the wearer within the work time of heavy muscle work handling the object. I made it. As a result, it is possible to obtain a predictive index of the risk of developing low back pain symptoms not only for the instantaneous load applied to the lumbar region of the wearer but also for the repeated load and the continuous load.
- the hip joint angle measuring unit provided in the wearable motion assisting device continuously measures the motion angle at the time of flexion and extension of the wearer's left and right hip joints as the left and right hip joint angles of the wearer, respectively.
- the disc compression force estimation unit continuously applies the disc compression force applied in the vertebral body connection direction of the wearer's face plate based on the combination of the wearer's trunk angle and the wearer's left and right hip joint angles. I tried to estimate.
- the estimation accuracy of the intervertebral disc compression force of the wearer is improved by combining the left and right hip joint angles of the wearer in addition to the trunk angle of the wearer. Can be made to.
- the low back pain occurrence risk prediction unit is attached when the maximum value of the intervertebral disc compression force is close to a predetermined allowable limit value within the working time based on the estimation history of the intervertebral disc compression force estimation unit. It was decided that the risk of developing low back pain symptoms was high.
- the lumbar load evaluation device using the wearable motion assist device measures the intervertebral disc compression force in real time during the working time, and when the maximum value momentarily reaches the vicinity of the permissible limit value, It can be judged that there is a risk of developing low back pain symptoms.
- the low back pain occurrence risk prediction unit continues within a predetermined range in which the wearer's trunk angle is in the mid-waist posture within the working time based on the measurement history of the trunk angle measuring unit for a predetermined time. To judge that the wearer has a high risk of developing low back pain symptoms.
- the wearable motion assist device it can be determined that the risk of developing low back pain symptoms is high when the wearer continues the mid-lumbar posture for a predetermined time.
- the low back pain occurrence risk prediction unit averages the load applied to the lumbar region of the wearer during the work time based on the measurement histories of the intervertebral disc compression force estimation unit and the division elapsed time measurement unit during the work time. The value was calculated, and when the average value was equal to or higher than a predetermined threshold, it was judged that the wearer had a high risk of developing low back pain symptoms.
- the low back pain occurrence risk prediction unit responds to the relationship between the maximum value of the wearer's trunk angle and the weight of the object within the working time based on the measurement history of the trunk angle measurement unit. The risk of developing low back pain symptoms in the wearer was predicted.
- the risk of low back pain is high when the weight of the object is larger than the permissible range with respect to the wearer's mid-waist posture during the working time. Can be judged.
- the low back pain occurrence risk prediction unit is based on the measurement history of the division elapsed time measurement unit within the working time, and the cumulative load level of the intervertebral disc compression force corresponds to the division above a predetermined level within the working time. When the time is more than the predetermined time, it is judged that the wearer has a high risk of developing low back pain symptoms.
- the cumulative time corresponding to the category of the predetermined level or higher is predetermined. If it takes more than an hour, it can be judged that the risk of developing low back pain symptoms is high.
- a workload analysis unit that analyzes the workload for reducing the load on the wearer's lumbar region and the endoskeletal system related to heavy muscle work and a workload based on the prediction result of the low back pain occurrence risk prediction unit. Based on the analysis results of the analysis unit, it is provided with an optimization control data generation unit that generates control data for optimizing the control performance for operation support by the wearable operation assist device.
- the wearable motion assist device by optimizing the control performance for motion support by the wearable motion assist device, the work in the lumbar region and the endoskeletal system of the wearer regarding heavy muscle work is performed.
- the load can be reduced.
- the lumbar region using a wearable motion assisting device that is attached by fixing both the thighs of the wearer and either or both of the abdomen and shoulders and assists the movement of the lumbar region of the wearer.
- the intervertebral disc compression force estimated by the second step is classified according to the load level, and at the same time, the third step of measuring the elapsed time in time series for each classification and the work time of heavy muscle work for handling the object are performed. Based on the measurement history of the 3rd step in the inside, the 4th step of predicting the risk of developing the back pain symptom of the wearer is provided.
- the intervertebral disc compression force of the wearer is continuously estimated based on the weight of the object, the height and weight of the wearer, and the trunk angle of the wearer. Then, while measuring the elapsed time for each category according to the load level of the intervertebral disc compression force in chronological order, predict the risk of developing low back pain symptoms of the wearer within the work time of heavy muscle work handling the object. I made it. As a result, it is possible to obtain a predictive index of the risk of developing low back pain symptoms not only for the instantaneous load applied to the lumbar region of the wearer but also for the repeated load and the continuous load.
- the present invention it is possible to realize a lumbar load evaluation device and a lumbar load evaluation method using a wearable motion assisting device that can estimate the risk of developing low back pain of a wearer with extremely high accuracy.
- FIGS. 1 (A) and 1 (B) show the wearable operation assisting device 1 according to the present embodiment.
- 2 (A) and 2 (B) show the main configurations of the wearable motion assist device 1 of FIG. 1 excluding the thigh cuff, the belt, and the like.
- the wearable motion assist device 1 is a device that supports (assists) the work and movement of the wearer, and is a biological signal (surface myoelectric potential) generated when muscular strength is generated by a signal from the brain and the hip joint of the wearer. It operates so as to detect the operating angle and apply a driving force from the driving mechanism based on this detection signal.
- the wearer wearing the wearable motion assist device 1 voluntarily lifts a relatively heavy object and carries out a transport motion
- the biological signal of the latissimus dorsi muscle or the gluteus maximus muscle (gluteus maximus) generated at that time is used.
- a drive torque corresponding to the operation angle of the hip joint of the wearer is applied as an assist force from the wearable operation assist device. Therefore, the wearer can lift and carry the object by the resultant force of his / her muscular force and the drive torque from the drive mechanism (actuator).
- the wearable motion assist device 1 can also assist the ascending / descending work of, for example, the wearer going up and down the stairs with his / her luggage.
- the waist frame 2 is mounted in the left-right direction on the back side of the wearer's waist.
- the lumbar frame 2 is, for example, a hollow member made of CFRP (carbon-fiber-reinforced plastic), and has a rounded shape that matches the shape of the back surface and both side surfaces of the lumbar region of the human body.
- the lumbar frame 2 is composed of a first lumbar frame 2A mounted on the left and right sides of the wearer's lumbar region and a second lumbar frame 2B mounted on the upper side of the first lumbar frame 2A in the left-right direction. It is configured to connect via 3.
- the first lumbar frame 2A and the second lumbar frame 2B are attached to the wearer's waist by the wearing belts 4 and 5 that are passed to the wearer's ventral side.
- both ends are lower than the back side, that is, the central portion in the longitudinal direction (the portion located on the back side of the wearer). It is mounted in a forward leaning position so that both ends are located low.
- the left side frame 10 and the right side frame 11 are fixed to both ends of the first waist frame 2A and the second waist frame 2B.
- the battery 12 is detachably housed in the central portion of the first waist frame 2A, and wiring and the like connected to the battery 12 and the like. Is inserted in the internal space.
- the support column 3 is a member that vertically connects the central portion in the longitudinal direction of the first lumbar frame 2A and the central portion in the longitudinal direction of the second lumbar frame 2B.
- the support column 3 is, for example, a hollow member made of reinforced resin, and the wiring of the sensor is inserted therein. Further, inside the support column 3, a control device 33 (FIG. 6 described later) for controlling the operation of the wearable operation assisting device 1 is provided.
- the strength of the monocoque structure is ensured by holding the various members constituting the first waist frame 2A and the second waist frame 2B so as not to rotate by the support columns 3. Further, a mounting belt 4 corresponding to the first waist frame 2A and a mounting belt 5 corresponding to the second waist frame 2B are attached to the support columns 3, respectively.
- the left end frame 10 joins and fixes the left end of the first lumbar frame 2A and the left end of the second lumbar frame 2B on the left side of the wearer's hip joint.
- the right side frame 11 has a structure substantially symmetrical with the left side frame 10, and the right end of the first waist frame 2A and the right end of the second waist frame 2B are joined and fixed.
- the left side frame 10 has a built-in actuator and a brake mechanism (both not shown), and is provided with a minus button 13 for input for reducing the driving force of the actuator.
- the minus button 12 lights up when the power of the wearable operation assist device is on.
- An actuator and a brake mechanism are built in the right frame 11, and the plus button 14 for input for increasing the driving force of the actuator and the power of the wearable operation assist device 1 are turned on / off.
- a power button 15 for switching off is provided. The plus button 14 and the power button 15 light up when the power of the wearable operation assist device 1 is on.
- the lumbar frame (first lumbar frame 2A and second lumbar frame 2B), the support column 3, and the side frame (left side frame 10 and right side frame 11) are assembled so as to be integrally formed, and the frame itself.
- the thigh fixing portion 20 includes a left thigh fixing portion 20L for fixing the left thigh of the wearer and a right thigh fixing portion for fixing the right thigh of the wearer. It consists of 20R.
- the left thigh fixing portion 20L is composed of a stay portion 21L connected to an actuator in the left side frame 10 and a belt portion 22L attached to the stay portion 21L, and is rotated sideways with respect to the left side frame 10. It is provided so that it can be moved.
- the right femur fixing portion 20R is composed of a stay portion 21R connected to an actuator in the right side frame 11 and a belt portion 22R attached to the stay portion 21R, and is viewed from the side with respect to the right side frame 11. It is rotatably provided.
- the stay parts 21L and 21R are designed to have the optimum length based on the average length of the thigh part of the human body, and the belt parts 22L and 22R make the wearer large.
- the thigh is fixed.
- the wearing belt 4 is a wearing belt that is passed to the ventral side when the first waist frame 2A is attached to the wearer, and is the main for attaching the wearable motion assist device 1 to the waist of the human body.
- the wearing belt 5 is a wearing belt that is passed to the ventral side when the second waist frame 2B is attached to the wearer.
- the wearing belt 5 applies a reaction force generated by the movement of the legs to the abdomen or waist of the wearer when the wearer of the wearable motion assisting device 1 lifts a relatively heavy object from a bent knee. It is used to fix the wearable motion assist device 1 to the human body above the wear belt 5 in order to efficiently transmit the device.
- the battery 12 is provided outside the central portion of the first lumbar frame 2A on the outside opposite to the mounting side of the wearable operation assist device 1, and includes a control device 33 (FIG. 6), an actuator, and a brake mechanism 16 (FIG. 6). 6), supply power to the minus button 13, the plus button 14, and the power button 15.
- the senor 23 is attached to the back surface of the wearer's lumbar region, and when the wearer tries to maintain the muscle activity or the angle of the trunk when trying to raise the trunk. It is a detection unit that detects biological signals associated with muscle activity.
- the sensor 23 is connected to the tip of the wiring extending from the hole provided in the support column 3 to the outside of the support column, and three sensors 23 are provided.
- the sensor 23 is attached to the back surface of the wearer's lumbar region to detect a biological signal generated when the wearer moves the muscles of the trunk.
- the biological signal detected by the sensor 23 is input to the control device 33 (FIG. 6).
- the sensor 23 may be attached to the back of the wearer using tape or the like, or may be attached using gel or the like.
- One of the three sensors 23 is used to measure the reference signal and the other two sensors are used to measure the biopotential signal.
- the wearable motion assist device 1 is mounted on the waist of the wearer from the back side.
- the wearable motion assist device 1 moves the thigh with respect to the lumbar region when the wearer stands up from the bent state (mid-lumbar posture) as shown in FIG. 4 (A) as shown in FIG. 4 (B).
- It is a device that generates an assisting force (assisting force) so as to assist.
- Such movements of the wearer include, for example, the movement of standing up from the mid-waist posture, the movement of lifting the object from the mid-waist posture, the movement of assisting transfer, and the like.
- FIG. 5 is a view (left side view) showing the movable range of the wearable motion assist device 1.
- the left thigh fixing portion 20L can rotate 130 ° clockwise and 30 ° counterclockwise from the reference position shown in FIG. 5 with the left frame 10 as the center of rotation. Due to such an operation, when the wearer stands up from the bent state as shown in FIG. 4 (A) as shown in FIG. 4 (B), the wearable motion assist device 1 is formed on the thigh with respect to the lumbar region. Generates auxiliary force to assist movement.
- the operating range of the right femur fixing portion 20R is also the same.
- FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a control system system 30 of the wearable motion assist device 1.
- the control system 30 of the wearable motion assist device 1 has a drive mechanism 31 that applies an assist force to the wearer and a hip joint angle measurement that detects the hip joint angle (physical phenomenon) of the wearer.
- a unit 32 and a control device 33 that comprehensively controls the entire system are provided.
- the drive mechanism 31 is fixed to the waist frame 2 (first waist frame 2A and second waist frame 2B) that is attached to the wearer's waist and can be connected to both the left and right sides, and the left and right thighs of the wearer.
- a drive torque is generated so as to relatively rotate and drive the thigh fixing portion 20 (left thigh fixing portion 20L and right thigh fixing portion 20R) that can be connected to the outside of each thigh, and the thigh fixing portion 20 or Drive the waist frame 2.
- the hip joint angle measuring unit 33 is provided in the drive mechanism 31 and is provided on both the left and right sides of the waist frame 2 (first waist frame 2A and second waist frame 2B) and the thigh fixing portion 20 (left thigh fixing portion 20L and right femur fixing portion 20R). ) Are detected as the left and right hip joint angles of the wearer, respectively. That is, the hip joint angle measuring unit 32 continuously measures the operating angles of the wearer's left and right hip joints during flexion and extension as the left and right hip joint angles of the wearer, respectively.
- the control device 33 determines the movement and posture of the wearer based on the left and right hip joint angles of the wearer by the hip joint angle measuring unit 32, and generates a drive torque in the drive mechanism 31 according to the result of the determination.
- the wearable motion assist device 1 detects biological signals of the rectus femoris and gluteus maximus muscles accompanying the movement of the wearer's left and right thighs and the biological signals of the latissimus dorsi muscle of the wearer's back. It has a part 34.
- the control device 33 determines the movement and posture of the wearer based on the biological signal output from the biological signal detection unit 34 and the left and right hip joint angles of the wearer, and drives torque according to the result of the determination. Is generated in the drive mechanism 31.
- the drive mechanism 31 When the wearer lifts the object, the drive mechanism 31 simultaneously transmits drive torque to the waist frame 2 (first waist frame 2A and second waist frame) to drive the waist frame toward the back side of the wearer.
- the drive torque is transmitted to the thigh fixing portion 20 (left thigh fixing portion 20L and right thigh fixing portion) to alternately drive the left and right thigh fixing portions in the front-rear direction. It has been done.
- the drive mechanism 31 is composed of an actuator (drive motor).
- the hip joint angle measuring unit 32 includes an angle sensor that detects the joint rotation angle.
- the biological signal detection unit 34 includes a biological signal detection sensor.
- the inclination angle of the waist of the wearer is set as the trunk angle measuring unit 61 (FIG. 9) in the waist load evaluation device 60 (that is, the control system component in the control device 33) described later.
- An absolute angle sensor for measurement is provided.
- the data storage unit 50 stores the reference parameter database 51 and the command signal database 52.
- the control device 33 is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit) chip having a memory, and includes an optional control unit 40, an autonomous control unit 41, a phase specifying unit 42, and a gain changing unit 43.
- a CPU Central Processing Unit
- the voluntary control unit 40 supplies a command signal corresponding to the detection signal of the biological signal detection unit 34 to the power amplification unit 44.
- the voluntary control unit 40 applies a predetermined command function f (t) or gain G to the biological signal detection unit 34 to generate a command signal.
- the gain G may be a preset value or function, and can be adjusted via the gain changing unit 43.
- each data (angle) detected by the hip joint angle measuring unit 32 when the input of the biological signal from the biological signal detecting unit 34 cannot be obtained. It is also possible to select a method of controlling the drive torque of each actuator (drive motor) based on the joint angle data detected by the sensor.
- the hip joint angle detected by the hip joint angle measuring unit 32 is input to the reference parameter database 51.
- the phase specifying unit 42 specifies the phase of the wearer's movement by comparing the joint angle detected by the hip joint angle measuring unit 32 with the joint angle of the reference parameter stored in the reference parameter database 51.
- the autonomous control unit 41 obtains the control data of the phase specified by the phase specifying unit 42, it generates a command signal corresponding to the control data of this phase and generates this power in the drive mechanism 31.
- the command signal is supplied to the power amplification unit 44.
- the data storage unit 50 has a memory for storing each data, and has a database storage area in which control data for each phase set for each operation pattern (task) such as standing motion, walking motion, and sitting motion is stored in advance. , A control program storage area for storing a control program for controlling each actuator is provided.
- the reference parameter database 51 and the command signal database 52 are stored in the database storage area.
- control device 33 is connected to a group of buttons of the minus button 13, the plus button 14, and the power button 15 as components, and a brake mechanism 16 that generates a braking force with respect to the rotational operation of the actuator.
- the control device 33 When the power button 15 is pressed, the control device 33 turns on the power, turns on the minus button 13, the plus button 14, and the power button 15, turns on the brake mechanism, and moves the thigh fixing portion 20. Generate resistance.
- the actuator is generated with a driving force according to the driving level of the actuator input by the minus button 13 or the plus button 14.
- the minus button 13 or the plus button 14 is a button for controlling the torque tuner of the control device 33, and the torque tuner can set the assist force in five stages.
- the torque tuner when the torque tuner is set to "1", the upper limit is 20% assist torque, and a maximum of 3 Nm of assist can be received. When the torque tuner is set to "5", 100% assist torque is received. Up to 15 Nm of assist can be received. Further, a torque limiter for setting an upper limit of torque may be provided.
- control device 33 controls the driving force according to the signal level of the biological signal input from the sensor.
- This device is equipped with a Cybernic Voluntary Control (CVC) mode for assisting.
- CVC Cybernic Voluntary Control
- the assist torque is determined in the following order (i) to (iii) in the control system 30 inside the device.
- the reference assist torque is calculated from the biopotential signal of the lumbar region.
- Amplify the reference assist torque based on the value of the torque tuner.
- control device 33 detects the reaction force of the wearer input from the thigh fixing portion 20, the first lumbar frame 2A and the second lumbar frame 2B during the rotational operation of the actuator, and the reaction force is reduced to a predetermined level or less. Then, the resistance force of the brake mechanism 16 is increased to stop the operation of the actuator.
- the state where the reaction force becomes equal to or less than a predetermined level is because, for example, when the mounting belts 4 and 5 of the thigh fixing portion 20 are disengaged, it is necessary to stop the operation in order to ensure safety.
- the wearable motion assist device 1 of the embodiment when the wearer stands up from the bent state as shown in FIG. 4 (A) as shown in FIG. 4 (B), the thigh with respect to the lumbar region Auxiliary forces can be generated to assist movement.
- Such an assisting force is an actuator based on a biological signal detected by the sensor 23 and accompanying the muscle activity when the wearer tries to raise the trunk or the muscle activity when trying to maintain the angle of the trunk. Is generated by being driven.
- control device 33 determines that the signal levels of the biological signals of the wearer's left and right thighs are not equal to the left and right, the control device 33 determines that the wearer is walking, while determining that the signal levels are equal to the left and right. If so, it is determined that the wearer is in a stopped state.
- control device 33 determines that the left and right hip joint angles are both larger than a predetermined predetermined angle in the state where the wearer is determined to be in the stopped state.
- the control device 33 determines that the wearer is walking.
- it is determined that the angle is equal to or less than the specified angle it is determined that the wearer is in a posture in which the upper body is lowered forward.
- the spinal column plays an important role such as a supporting action to support the trunk and a protective action to protect the spinal cord.
- the spinal column is linear and symmetrical on the frontal plane and curved (physiologically curved) in an S-shape on the sagittal plane.
- the spinal column is composed of 33 vertebrae, 7 of which are cervical vertebrae (C1 to C7), 12 of which are thoracic vertebrae (T1 to T12), and 5 of which are lumbar vertebrae (Lumbar vertebrae: L1). ⁇ L5), 5 are called sacrum (S1 ⁇ S5), and 4 are called coccyx.
- Each vertebra is connected by an intervertebral disc in the anterior part and a vertebral arch in the posterior part.
- the intervertebral disc which exists between the vertebrae, has a nucleus pulposus in the center, around which an annulus fibrosus surrounds the annulus fibrosus, and the anterior-posterior ligaments fit between the vertebral bodies and serve as a buffer.
- the vertebrae consist of a circular vertebral body in the anterior part and an arched vertebral arch in the posterior part, and the vertebral arch has superior and inferior articular processes, spinous processes, and transverse processes.
- the vertebral body and intervertebral disc are called the anterior spinal column and play a supporting role in the spinal column.
- the vertebral arch and articular process are called the posterior spinal column, and are responsible for the regulation of movement.
- the joint surface is vertical, so rotation and lateral flexion are not possible and only flexion and extension are possible.
- the flexion / extension motion of the lumbar spine is performed between the first and second lumbar vertebrae (L1-L2), the second and third lumbar vertebrae (L2-L3), and the third and fourth lumbar vertebrae (L3-L4). It is said to be performed at a rate of 5 to 10%, 20% between the 4th and 5th lumbar vertebrae (L4-L5), and 70 to 75% between the 5th lumbar sacral vertebrae (L5-S1).
- Herniated disc is a typical example of disc injury.
- Herniated disk refers to a state in which internal organs and the like have escaped from the original site, and herniated disk is a state in which a part of the intervertebral disc protrudes beyond the normal intervertebral space.
- the intervertebral disc present in L5-S1 in the lumbar spine is located at the junction between the movable and immobile vertebrae, a greater load is applied when the trunk is flexed, and the intervertebral disc is vulnerable to damage. Therefore, 95% of herniated discs develop in the L4-L5, L5-S1 discs. Perceptual fibers are distributed around the intervertebral disc, and when the patient takes a posture in which the intradiscal pressure increases, the nerve is stimulated and pain occurs.
- Intervertebral disc compression force estimation theory and lumbar load The following describes a method for estimating the intervertebral disc compression force, which is the physical load on the intervertebral disc, as a load evaluation index from the working posture, the object, the muscular strength exerted, and the like.
- the muscles that stabilize the lumbar spine include the erector spinae muscles, the rectus abdominal muscles, the internal and external oblique muscles, and the transverse abdominal muscles.
- the abdominal cavity is a body cavity that can be closed, filled with fluid and something close to a semi-fluid. Increased intra-abdominal pressure occurs with contractions of the abdominal muscles and diaphragm. When the space in the abdominal cavity is compressed, a force to hold it is generated, and the force applied to the spinal column is dispersed, and the compression force is reduced. However, when the trunk bends due to strong forward bending or mid-waist, the abdominal wall sags and the abdominal pressure decreases.
- the force Fa [N] due to the intra-abdominal pressure can be expressed by the following equation (5) from Fisher's estimation equation.
- ⁇ h [deg] is the joint angle of the hip joint
- a d [m 2] is a diaphragm area, using a 0.0465 [m 2].
- the moment arm Da [m] of the intra-abdominal pressure is estimated from the estimation formula of Morris et al. Using the joint angle ⁇ h of the hip joint as shown in the following equation (6).
- the force Fe [N] by the erector spinae muscles is given by the following equation (7).
- De [m] is the moment arm of the erector spinae muscle, and 0.05 [m] is used.
- the joint surface of the L5-S1 intervertebral disc is tilted as shown in FIG. 8 (B), an intervertebral disc compression force and an intervertebral disc shear force are applied, and the ratio of each force depends on the inclination angle of the joint surface.
- the articular surface of the L5-S1 intervertebral disc is determined by the rotation angle of the pelvis, and the pelvic rotation increases as the trunk flexes, but decreases when the hip and knee joints flex in the mid-waist.
- the inclination angle ⁇ a [deg] of the joint surface of the intervertebral disc of L5-S1 is estimated by the following equation (8) from the estimation equation of Anderson et al.
- ⁇ k [deg] is the joint angle of the knee joint.
- the joint angle ⁇ k of the knee joint can be estimated from the measured joint angle ⁇ h of the hip joint and the trunk angle ⁇ t.
- the permissible limit of the intervertebral disc compression force applied to the L5-S1 disc is set by the National Institute for Occupational Health (NIOSH) of 3,400 [N], and it is said that lower back pain will occur if it exceeds this limit. ing.
- NIOSH National Institute for Occupational Health
- the lumbar load evaluation device 60 is a control system component provided in the control device 33 in the wearable motion assist device 1 shown in FIG. 6 described above, and as shown in FIG. 9, the trunk angle measuring unit 61. It is provided with an intervertebral disc compression force estimation unit 62, a division elapsed time measurement unit 63, and a back pain occurrence risk prediction unit 64. Further, as will be described later, a workload analysis unit 70 and an optimization data generation unit 71 for optimizing the control performance for operation support by the wearable operation assist device 1 are also provided.
- the trunk angle measuring unit 61 continuously measures the inclination angle of the wearer's waist as the trunk angle of the wearer by using an absolute angle sensor attached to the waist frame 2 (particularly the first waist frame 2A). To do.
- the intervertebral disc compression force estimation unit 62 is mounted based on the weight of the object gripped by the wearer, the height and weight of the wearer, and the trunk angle measured by the trunk angle measuring unit 61, which is input from the outside. The disc compression force applied in the direction of connecting the intervertebral discs of the person is continuously estimated.
- the intervertebral disc compression force estimation unit 62 determines the intervertebral disc of the wearer based on the combination of the trunk angle of the wearer and the left and right hip joint angles of the wearer.
- the disc compression force applied in the vertebral body connection direction may be continuously estimated.
- the weight of the object may be measured by mounting floor reaction force sensors (not shown) on both feet of the wearer and measuring the weight as an increase in the amount of gripping the object. Further, the height and weight of the wearer are input using a predetermined input device (not shown) attached to the wearable motion assist device 1.
- the division elapsed time measuring unit 63 classifies the intervertebral disc compression force estimated by the intervertebral disc compression force estimation unit 62 according to the load level, and at the same time, measures the elapsed time for each division in chronological order.
- the intervertebral disc compression force is divided into five load levels as shown in FIG. 10 (B). Specifically, if the disc compression force is less than 1,800 [N], the load level is 1, if the disc compression force is 1,800 [N] or more and less than 2,200 [N], the load level is 2 (low load), and if the disc compression force is 2,200 [N] or more and less than 2,600 [N], the load level is 3. (Medium load), 2,600 [N] or more and less than 3,000 [N] is classified as load level 4, and 3,000 [N] or more is classified as load level 5 (high load).
- FIG. 11 shows the relationship between the wearer's working posture and the weight of the object to be gripped. For example, when the weight of the object is 10 [kg], it can be seen that when the wearer's trunk angle is 70 [deg], the work is performed at a low load level.
- the back pain occurrence risk prediction unit 64 predicts the occurrence risk of the back pain symptom of the wearer based on the measurement history of the division elapsed time measurement unit 63 within the working time of the heavy muscle work handling the object.
- the lumbar load evaluation device 60 using the wearable motion assist device 1 continuously applies the intervertebral disc compression force of the wearer based on the weight of the object, the height and weight of the wearer, and the trunk angle of the wearer. Predict the risk of low back pain in the wearer during the work time of heavy muscle work handling the object while measuring the elapsed time for each category according to the load level. I tried to do it. As a result, it is possible to obtain a predictive index of the risk of developing low back pain symptoms not only for the instantaneous load applied to the lumbar region of the wearer but also for the repeated load and the continuous load.
- the low back pain occurrence risk prediction unit 64 sets the maximum value of the intervertebral disc compression force to a predetermined allowable limit value (3,400 [N]) within the working time based on the estimation history of the intervertebral disc compression force estimation unit 62. ), It is judged that the wearer has a high risk of developing low back pain symptoms.
- the lumbar load evaluation device 60 measures the intervertebral disc compression force in real time during the working time, and when the maximum value momentarily reaches the vicinity of the permissible limit value regardless of the load level classification. , It can be judged that there is a risk of developing low back pain symptoms.
- the low back pain occurrence risk prediction unit 64 is within a predetermined range (for example, 45) in which the wearer's trunk angle is in the mid-waist posture within the working time based on the measurement history of the trunk angle measurement unit 61. If ⁇ 3 [deg]) is continued for a predetermined time, it is judged that the wearer has a high risk of developing low back pain symptoms. As a result, in the lumbar load evaluation device 60, it can be determined that the risk of developing low back pain symptoms is high when the wearer continues the mid-lumbar posture for a predetermined time.
- a predetermined range for example, 45
- the low back pain occurrence risk prediction unit 64 is based on the measurement histories of the intervertebral disc compression force estimation unit 62 and the division elapsed time measurement unit 63 during the work time, and the wearer's lumbar region is within the work time.
- the average value of the load applied to the patient is calculated, and when the average value is equal to or higher than a predetermined threshold value, it is judged that the wearer has a high risk of developing low back pain symptoms.
- the load is predetermined on average. If it exceeds the threshold value of, it can be judged that the risk of developing low back pain symptoms is high.
- the low back pain occurrence risk prediction unit 64 has a relationship between the maximum value of the wearer's trunk angle and the weight of the object within the working time based on the measurement history of the trunk angle measurement unit 61. Predict the risk of developing low back pain symptoms in the wearer according to gender.
- the lumbar load evaluation device 60 when the weight of the object is larger than the permissible range with respect to the wearer's mid-waist posture during the working time, it can be determined that the risk of low back pain symptom is high.
- the low back pain occurrence risk prediction unit 64 classifies the load level of the intervertebral disc compression force within the working time based on the measurement history of the classification elapsed time measuring unit 63 within the working time. When the cumulative time corresponding to the above is longer than the predetermined time, it is judged that the wearer has a high risk of developing low back pain symptoms.
- the lumbar load evaluation device 60 even if the load level of the intervertebral disc compression force is not extremely large within the working time, if the cumulative time corresponding to the category of the predetermined level or higher becomes the predetermined time or longer. , It can be judged that the risk of developing low back pain symptoms is high.
- the workload analysis unit 70 applies a workload for reducing the load on the lumbar region and the endoskeleton system of the wearer regarding heavy muscle work based on the prediction result of the low back pain occurrence risk prediction unit 64. analyse. Then, the optimization control data generation unit 71 generates control data for optimizing the control performance for operation support by the wearable operation assisting device 1 based on the analysis result of the workload analysis unit 70.
- Examples of the control performance for operation support by the wearable operation assist device 1 include the average output torque, the maximum output torque, and the torque tuner setting of the drive mechanism (actuator) 31.
- the lumbar region and endoskeleton of the wearer related to heavy muscle work are optimized by optimizing the control performance for motion support by the wearable motion assist device 1.
- the workload in the system can be reduced.
- the wearer's thighs and abdomen are fixedly mounted as a wearable motion assist device to assist the wearer's lumbar movement.
- the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this, and if the movement of the wearer's lumbar region can be assisted, the wearer's thighs and / or abdomen and / or shoulders may be used. It is also possible to apply the structure in which the
- 1 ... Wearable motion assist device 2 ... Waist frame, 2A ... 1st waist frame, 2B ... 2nd waist frame, 3 ... Supports, 4, 5 ... Wearing belt, 10 ... Left side frame, 11 ... Right side frame, 12 ... Battery, 13 ... Minus button, 14 ... Plus button, 15 ... Power button, 16 ... Brake mechanism, 20 ... Thigh fixing part, 20L ... Left thigh fixing part, 20R ... Right thigh fixing part, 21L, 21R ... Stay part , 22L, 22R ... Belt unit, 30 ... Control system, 31 ... Drive mechanism, 32 ... Hip angle measurement unit, 33 ... Control device, 34 ... Biosignal detection unit, 40 ... Voluntary control unit, 41 ...
- Autonomous control Unit 42 ... Phase identification unit, 43 ... Gain change unit, 44 ... Power amplification unit, 50 ... Data storage unit, 51 ... Reference parameter database, 52 ... Command signal database, 60 ... Waist load evaluation device, 61 ... Thigh angle Measurement unit, 62 ... Intervertebral disc compression force estimation unit, 63 ... Classification elapsed time measurement unit, 64 ... Low back pain occurrence risk prediction unit, 70 ... Workload analysis unit, 71 ... Optimization control data generation unit.
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Abstract
対象物の重量、装着者の身長および体重ならびに装着者の体幹角度に基づいて、装着者の椎間板圧迫力を継続的に推定し、当該椎間板圧迫力を負荷レベルに応じた区分ごとに経過時間を時系列的に計測しながら、対象物を取り扱う重筋作業の作業時間内における装着者の腰痛症状の発生リスクを予測するようにした。
Description
本発明は、装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置および腰部負荷評価方法に関し、装着者の腰部に装着して重筋作業の動作をアシストする装着式動作補助装置に適用して好適なものである。
腰痛は、罹患率、再発率、慢性化率の高い疾患であり、人類の84％が一生に一度は経験すると言われている。従来から、職業性腰痛の発生に起因する作業・環境要因として、対象物の挙上動作、長時間の静的作業姿勢保持、頻回な捻転動作、反復同一動作等が挙げられている。
特に職場の自動化や機械化が困難である保健衛生業や運輸・交通業等の従事者は、腰部にかかる身体的負荷の大きい重作業を強いられるため、腰痛の発症リスクが極めて高い。この腰痛の損傷部位である内骨格系における負荷の検証は、対象が人体であることから侵襲的な実験は倫理的観点から避けるべきであるが、非侵襲的に計測することは非常に困難である。
従来から重筋作業による腰痛予防方法として、人体の体幹角度および足底荷重に基づいて腰部の負担値（腰椎の椎間板に発生する圧迫力）を算出するとともに、人の基本情報に基づいて腰部への障害発生可能性につながる腰部にかかる負担リスク値（椎間板圧迫力の許容値）を設定し、当該負担値および負担リスク値の比較結果に基づいて、リアルタイムで作業負荷の危険性を警告として発信する腰痛予防装置が提案されている（特許文献１参照）。
また、使用者の腰部における表皮の曲率と上体における傾斜角度とから算出して得られる、当該使用者における複数の腰椎のそれぞれの位置および向きに基づいて、複数の腰椎のそれぞれにかかる負荷を算出する負荷算出装置が提案されている（特許文献２参照）。
さらに、ユーザの腰と、ユーザが前屈姿勢をとることにより当該腰との高度差を生じる身体の部分との高度差に基づいて、腰痛の発生のおそれがある姿勢をとったユーザに対して警告を発生することができる警報システムが提案されている（特許文献３参照）。
ところで、重筋作業のような重量物挙上動作は、作業者の腰部において重量物増加分の腰部モーメントが発生するため、腰部の筋骨格系に負荷がかかり、腰痛症や椎間板ヘルニア症等を患う危険性がある。そのため、負荷評価指標として椎間板への物理的負荷である椎間板圧迫力が利用されてきた。
しかし、負荷評価のために椎間板圧迫力を直接測定することは、侵襲性が要求されるため一般的には採用されず、作業者の作業姿勢や重量物や発揮する筋力等から椎間板圧迫力を推定する方法が用いられている。上述した特許文献１～３においても、非侵襲による種々の計測方法を用いて重筋作業による腰痛予防方法を提案している。
ところが、特許文献１においては、作業者が作業を実施した際に腰部にかかる負荷を椎間板圧迫力とその許容値とに基づいてリアルタイムで作業負荷の危険性を警告するようになされているが、作業対象となる重量物に対する腰部負担の程度を体幹角度と併せて瞬時的に判断しているにすぎない。
また特許文献２においては、複数の腰椎にかかる負荷をそれぞれ測定して、当該各負荷に対応した異なる補助力を使用者に与えるとともに、予め定められた閾値超えをした負荷が所定時間継続する場合に警告を与えるようになされているが、当該閾値が単に予め定められた値であるため、中長期的に生じる慢性の腰痛のおそれに対しては予測することが困難である。
さらに特許文献３においては、ユーザが対象物を持ち上げようとする際に、瞬時的に発生する腰の高度差に基づいて腰痛のおそれを判断するだけであるため、慢性的な腰部負担に伴う腰痛発症リスクを推定することが困難である。
腰痛予防に対する有効性を示すためには、腰痛の損傷部位である椎間板等の内骨格系における負荷軽減を検証することが重要であるが、瞬時的な負荷のみならず繰返し負荷や継続的負荷も腰痛要因とされるため、力学式による椎間板圧迫力のみに基づく評価指標では、このような繰返し負荷や継続的負荷を正確に評価することが非常に困難であるという問題があった。
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、装着者の腰痛発症リスクを非常に高い精度で推定することができる装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置および腰部負荷評価方法を提案しようとするものである。
かかる課題を解決するために本発明においては、装着者の両大腿部と腹部および肩部のいずれか一方または両方とを固定して装着され、装着者の腰部の動作をアシストする装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置において、装着式動作補助装置を装着する装着者の腰部の傾斜角度を当該装着者の体幹角度として継続的に計測する体幹角度計測部と、外部から入力された装着者が把持する対象物の重量と装着者の身長および体重と、体幹角度計測部により計測される体幹角度とに基づいて、装着者の椎間板の椎体連結方向に加わる椎間板圧迫力を継続的に推定する椎間板圧迫力推定部と、椎間板圧迫力推定部により推定された椎間板圧迫力を負荷レベルに応じて区分すると同時に、当該区分ごとに経過時間を時系列的に計測する区分経過時間計測部と、対象物を取り扱う重筋作業の作業時間内における区分経過時間計測部の計測履歴に基づいて、装着者の腰痛症状の発生リスクを予測する腰痛発生リスク予測部とを備えるようにした。
このように装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置では、対象物の重量、装着者の身長および体重ならびに装着者の体幹角度に基づいて、装着者の椎間板圧迫力を継続的に推定し、当該椎間板圧迫力を負荷レベルに応じた区分ごとに経過時間を時系列的に計測しながら、対象物を取り扱う重筋作業の作業時間内における装着者の腰痛症状の発生リスクを予測するようにした。この結果、装着者の腰部にかかる瞬間的負荷のみならず繰返し負荷や継続的負荷についても腰痛症状の発生リスクの予測指標を得ることができる。
また本発明においては、装着式動作補助装置に設けられ、装着者の左右の股関節における屈曲伸展時の動作角度をそれぞれ当該装着者の左右の股関節角度として継続的に計測する股関節角度計測部をさらに備え、椎間板圧迫力推定部は、装着者の体幹角度と当該装着者の左右の股関節角度との組合せに基づいて、当該装着者の椎間板の椎体連結方向に加わる椎間板圧迫力を継続的に推定するようにした。
この結果、装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置では、装着者の体幹角度に加えて装着者の左右の股関節角度を組み合わせることにより、該装着者の椎間板圧迫力の推定精度を向上させることができる。
さらに本発明においては、腰痛発生リスク予測部は、椎間板圧迫力推定部の推定履歴に基づいて、作業時間内に椎間板圧迫力の最大値が所定の許容限界値の近傍である場合には、装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断するようにした。
この結果、装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置では、作業時間内にリアルタイムで椎間板圧迫力を計測しながら、その最大値が瞬間的に許容限界値の近傍に達した場合には、腰痛症状の発生リスクがあると判断することができる。
さらに本発明においては、腰痛発生リスク予測部は、体幹角度計測部の計測履歴に基づいて、作業時間内に装着者の体幹角度が中腰姿勢となる所定範囲内を所定時間継続する場合には、装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断するようにした。
この結果、装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置では、装着者が中腰姿勢を所定時間継続する場合には、腰痛症状の発生リスクが高いと判断することができる。
さらに本発明においては、腰痛発生リスク予測部は、作業時間内における椎間板圧迫力推定部および区分経過時間計測部の各計測履歴に基づいて、当該作業時間内に装着者の腰部にかかる負荷の平均値を算出し、当該平均値が所定の閾値以上になる場合に、装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断するようにした。
この結果、装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置では、作業時間内における装着者の腰部にかかる負荷が瞬間的に高くなく、かつ中腰姿勢の時間的長さが比較的短くても、当該負荷が平均して所定の閾値以上になる場合には、腰痛症状の発生リスクが高いと判断することができる。
さらに本発明においては、腰痛発生リスク予測部は、体幹角度計測部の計測履歴に基づいて、作業時間内における装着者の体幹角度の最大値と対象物の重量との関係性に応じた装着者の腰痛症状の発生リスクを予測するようにした。
この結果、装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置では、作業時間内における装着者の中腰姿勢に対して対象物の重量が許容範囲よりも大きい場合には、腰痛症状の発生リスクが高いと判断することができる。
さらに本発明においては、腰痛発生リスク予測部は、作業時間内における区分経過時間計測部の計測履歴に基づいて、当該作業時間内に椎間板圧迫力の負荷レベルが所定レベル以上の区分に該当する累積時間が所定時間以上の場合には、装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断するようにした。
この結果、装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置では、作業時間内に椎間板圧迫力の負荷レベルが極端に大きくない状態が続いても、所定レベル以上の区分に該当する累積時間が所定時間以上になる場合には、腰痛症状の発生リスクが高いと判断することができる。
さらに本発明においては、腰痛発生リスク予測部の予測結果に基づいて、重筋作業に関する装着者の腰部および内骨格系における負荷を軽減するための作業負荷を分析する作業負荷分析部と、作業負荷分析部の分析結果に基づいて、装着式動作補助装置による動作支援用の制御パフォーマンスを最適化させるための制御データを生成する最適化制御データ生成部とを備えるようにした。
この結果、装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置では、装着式動作補助装置による動作支援用の制御パフォーマンスを最適化させることによって、重筋作業に関する装着者の腰部および内骨格系における作業負荷を軽減することができる。
さらに本発明においては、装着者の両大腿部と腹部および肩部のいずれか一方または両方とを固定して装着され、装着者の腰部の動作をアシストする装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法において、装着式動作補助装置を装着する装着者の腰部の傾斜角度を当該装着者の体幹角度として継続的に計測する第１ステップと、外部から入力された装着者が把持する対象物の重量と装着者の身長および体重と、第１ステップにより計測される体幹角度とに基づいて、装着者の椎間板の椎体連結方向に加わる椎間板圧迫力を継続的に推定する第２ステップと、第２ステップにより推定された椎間板圧迫力を負荷レベルに応じて区分すると同時に、当該区分ごとに経過時間を時系列的に計測する第３ステップと、対象物を取り扱う重筋作業の作業時間内における第３ステップの計測履歴に基づいて、装着者の腰痛症状の発生リスクを予測する第４ステップとを備えるようにした。
このように装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法では、対象物の重量、装着者の身長および体重ならびに装着者の体幹角度に基づいて、装着者の椎間板圧迫力を継続的に推定し、当該椎間板圧迫力を負荷レベルに応じた区分ごとに経過時間を時系列的に計測しながら、対象物を取り扱う重筋作業の作業時間内における装着者の腰痛症状の発生リスクを予測するようにした。この結果、装着者の腰部にかかる瞬間的負荷のみならず繰返し負荷や継続的負荷についても腰痛症状の発生リスクの予測指標を得ることができる。
本発明によれば、装着者の腰痛発症リスクを非常に高い精度で推定することができる装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置および腰部負荷評価方法を実現することができる。
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
（１）本実施の形態による装着式動作補助装置の構成
図１（Ａ）および（Ｂ）は、本実施の形態による装着式動作補助装置１を示す。また図２（Ａ）および（Ｂ）は、図１の装着式動作補助装置１のうち大腿カフやベルト等を除いた主要構成について示す。装着式動作補助装置１は、装着者の作業や動作を支援（アシスト）する装置であり、脳からの信号により筋力を発生させる際に生じる生体信号(表面筋電位)や当該装着者の股関節の動作角度を検出し、この検出信号に基づいて駆動機構からの駆動力を付与するように作動する。
図１（Ａ）および（Ｂ）は、本実施の形態による装着式動作補助装置１を示す。また図２（Ａ）および（Ｂ）は、図１の装着式動作補助装置１のうち大腿カフやベルト等を除いた主要構成について示す。装着式動作補助装置１は、装着者の作業や動作を支援（アシスト）する装置であり、脳からの信号により筋力を発生させる際に生じる生体信号(表面筋電位)や当該装着者の股関節の動作角度を検出し、この検出信号に基づいて駆動機構からの駆動力を付与するように作動する。
装着式動作補助装置１を装着した装着者は、自らの意思で比較的重い対象物を持ち上げて運搬動作を行う場合、その際に発生した広背筋または大殿筋（大臀筋）の生体信号や当該装着者の股関節の動作角度に応じた駆動トルクがアシスト力として装着式動作補助装置から付与される。従って、装着者は、自身の筋力と駆動機構（アクチュエータ）からの駆動トルクとの合力によって対象物を持ち上げて運搬することができる。
また装着式動作補助装置１は、対象物を持ち上げて歩行する運搬作業以外にも、例えば、装着者が荷物を持ったまま階段を上り下りするといった昇降作業も補助することができる。
装着式動作補助装置１では、装着者の腰の背面側において、左右方向にわたって腰フレーム２が装着されている。腰部フレーム２は、例えば、ＣＦＲＰ（carbon - fiber - reinforced plastic：炭素繊維強化プラスチック）製の中空部材であり、人体の腰部の背面および両側面の形状に合わせてラウンドした形状を有する。
腰部フレーム２は、装着者の腰部の背面側において、左右にわたって装着される第１腰部フレーム２Ａと、当該第１腰部フレーム２Ａよりも上側で左右方向にわたって装着される第２腰部フレーム２Ｂとが支柱３を介して接続するように構成されている。
第１腰部フレーム２Ａおよび第２腰部フレーム２Ｂは、装着者の腹側にわたされる装着ベルト４、５よって、装着者の腰部に装着される。第１腰部フレーム２Ａおよび第２腰部フレーム２Ｂは、装着された状態では、背面側よりも両端側が低くなるように、すなわち、長手方向の中央部（装着者の背面側に位置する部分）よりも両端が低い位置に位置するように、前傾姿勢で装着される。
第１腰部フレーム２Ａおよび第２腰部フレーム２Ｂの両端には、左側部フレーム１０および右側部フレーム１１が固定されている。
また、装着式動作補助装置１の装着側とは反対側の外側において、第１腰部フレーム２Ａの中央部には、バッテリ１２が着脱自在に収納されるとともに、当該バッテリ１２に接続される配線等が内部空間内に挿通されている。
支柱３は、第１腰部フレーム２Ａの長手方向の中央部と、第２腰部フレーム２Ｂの長手方向の中央部とを縦方向に接続する部材である。支柱３は、例えば、強化樹脂製の中空部材であり、内部には、センサの配線が挿通される。また、支柱３の内部には、装着式動作補助装置１の動作を制御する制御装置３３（後述する図６）が設けられる。
支柱３によって第１腰部フレーム２Ａおよび第２腰部フレーム２Ｂを構成する各種部材が回転しないように保持されることによって、モノコック構造の強度が担保されている。また、支柱３には、第１腰部フレーム２Ａに対応する装着ベルト４と第２腰部フレーム２Ｂに対応する装着ベルト５がそれぞれ取り付けられる。
左側部フレーム１０は、装着者の股関節の左側において、第１腰部フレーム２Ａの左端と第２腰部フレーム２Ｂの左端とを接合して固定する。右側部フレーム１１は、左側部フレーム１０と略左右対称の構造を有し、第１腰部フレーム２Ａの右端と第２腰部フレーム２Ｂの右端とを接合して固定する。
左側部フレーム１０には、アクチュエータおよびブレーキ機構（共に図示せず）が内蔵され、当該アクチュエータの駆動力を低下させるための入力用のマイナスボタン１３が設けられている。このマイナスボタン１２は、装着式動作補助装置の電源がオン状態のとき点灯する。
右側部フレーム１１には、アクチュエータおよびブレーキ機構（共に図示せず）が内蔵され、当該アクチュエータの駆動力を増大させるための入力用のプラスボタン１４と、装着式動作補助装置１の電源をオン／オフを切り替えるための電源ボタン１５とが設けられている。このプラスボタン１４および電源ボタン１５は、装着式動作補助装置１の電源がオン状態のとき点灯する。
このように腰部フレーム（第１腰部フレーム２Ａおよび第２腰部フレーム２Ｂ）、支柱３、側部フレーム（左側部フレーム１０および右側部フレーム１１）は、一体構成となるように組み立てることにより、フレーム自体に応力を受け持たせるモノコック構造を実現している。
図１（Ａ）および（Ｂ）において、大腿固定部２０は、装着者の左側の大腿部を固定する左大腿固定部２０Ｌと、装着者の右側の大腿部を固定する右大腿固定部２０Ｒとからなる。
左大腿固定部２０Ｌは、左側部フレーム１０内のアクチュエータに接続されたステー部２１Ｌと、当該ステー部２１Ｌに取り付けられたベルト部２２Ｌとから構成され、左側部フレーム１０に対して側面視で回動可能に設けられている。
また右大腿固定部２０Ｒは、右側部フレーム１１内のアクチュエータに接続されたステー部２１Ｒと、当該ステー部２１Ｒに取り付けられたベルト部２２Ｒとから構成され、右側部フレーム１１に対して側面視で回動可能に設けられている。
なお、左大腿固定部２０Ｌおよび右大腿固定部２０Ｒにおいて、ステー部２１Ｌ、２１Ｒは人体の大腿部の平均的長さを基準に最適長に設計され、ベルト部２２Ｌ、２２Ｒによって装着者の大腿部が固定される。
装着ベルト４は、第１腰部フレーム２Ａを装着者に取り付ける際に、腹側にわたされる装着ベルトであり、装着式動作補助装置１を人体の腰部に取り付けるためのメインとなる。
装着ベルト５は、第２腰部フレーム２Ｂを装着者に取り付ける際に、腹側にわたされる装着ベルトである。装着ベルト５は、装着式動作補助装置１の装着者が膝を曲げた状態から比較的重い対象物を持ち上げる動作を行うときに、脚の動きに伴って生じる反力を装着者の腹部または腰部に効率的に伝達するために、装着ベルト５よりも上側で人体に装着式動作補助装置１を固定するために用いられる。
バッテリ１２は、装着式動作補助装置１の装着側とは反対側の外側において、第１腰部フレーム２Ａの中央部の外側に設けられ、制御装置３３（図６）、アクチュエータ、ブレーキ機構１６（図６）、マイナスボタン１３、プラスボタン１４および電源ボタン１５に電力を供給する。
センサ２３は、図１（Ｂ）に示すように、装着者の腰部の背面に装着され、装着者が体幹を起こそうとする際の筋活動あるいは体幹の角度を維持しようとする際の筋活動に伴う生体信号を検出する検出部である。
センサ２３は、支柱３に設けられた孔部から支柱の外側に伸延する配線の先端に接続されており、３つ設けられている。センサ２３は、装着者の腰部の背面に貼り付けられることによって、装着者が体幹の筋肉を動かす際に発生する生体信号を検出する。
センサ２３で検出された生体信号は、制御装置３３（図６）に入力される。なお、センサ２３は、テープ等を用いて装着者の背中に貼り付けてもよいし、ゲル等を用いて貼り付けてもよい。３つのセンサ２３のうちの1つは、基準信号を測定するために用いられ、残りの２つのセンサは、生体電位信号を測定するために用いられる。
実際に、装着式動作補助装置１は、図３（Ａ）に示すように、装着者の腰部に背面側から装着される。装着式動作補助装置１は、装着者が図４（Ａ）に示すように屈んだ状態（中腰姿勢）から、図４（Ｂ）に示すように立ち上がる際に、腰部に対する大腿部の動きを補助するように補助力（アシスト力）を発生する装置である。このような装着者の動作は、例えば、中腰姿勢から立ち上がる動作、中腰姿勢から対象物を持ち上げる動作、移乗介助時の動作等である。
図５は、装着式動作補助装置１の可動範囲を示す図（左側面図）である。左大腿固定部２０Ｌは、左側部フレーム１０を回転中心として、図５に示す基準位置から、時計回りに130°、反時計回りに30°回動可能である。このような動作により、装着式動作補助装置１は、装着者が図４（Ａ）に示すように屈んだ状態から、図４（Ｂ）に示すように立ち上がる際に、腰部に対する大腿部の動きを補助するように補助力を発生する。なお、右大腿固定部２０Ｒの動作範囲も同様である。
（２）装着式動作補助装置における制御システムの構成
図６は装着式動作補助装置１の制御系システム３０の構成を示すブロック図である。図６に示すように、装着式動作補助装置１の制御系システム３０は、装着者に対してアシスト力を付与する駆動機構３１と、装着者の股関節角度(物理現象)を検出する股関節角度計測部３２と、システム全体を統括的に制御する制御装置３３とを備えている。
図６は装着式動作補助装置１の制御系システム３０の構成を示すブロック図である。図６に示すように、装着式動作補助装置１の制御系システム３０は、装着者に対してアシスト力を付与する駆動機構３１と、装着者の股関節角度(物理現象)を検出する股関節角度計測部３２と、システム全体を統括的に制御する制御装置３３とを備えている。
駆動機構３１は、装着者の腰に装着されかつ左右両側で連結可能な腰フレーム２（第１腰部フレーム２Ａおよび第２腰部フレーム２Ｂ）と、装着者の左右の大腿部に固定されかつ当該各大腿部の外側で連結可能な大腿固定部２０（左大腿固定部２０Ｌおよび右大腿固定部２０Ｒ）とをそれぞれ相対的に回転駆動するように駆動トルクを発生して、大腿固定部２０または腰フレーム２を駆動する。
股関節角度計測部３３は、駆動機構３１に設けられ、腰フレーム２（第１腰部フレーム２Ａおよび第２腰部フレーム２Ｂ）の左右両側と大腿固定部２０（左大腿固定部２０Ｌおよび右大腿固定部２０Ｒ）との間の回動角度をそれぞれ装着者の左右の股関節角度として検出する。すなわち、股関節角度計測部３２は、装着者の左右の股関節における屈曲伸展時の動作角度をそれぞれ当該装着者の左右の股関節角度として継続的に計測する。
制御装置３３は、股関節角度計測部３２による装着者の左右の股関節角度に基づいて、当該装着者の動作および姿勢を判定し、当該判定の結果に応じた駆動トルクを駆動機構３１に発生させる。
また装着式動作補助装置１は、装着者の左腿および右腿の動きに伴う大腿直筋および大殿筋の生体信号と、当該装着者の背中の広背筋の生体信号とを検出する生体信号検出部３４を有する。制御装置３３は、生体信号検出部３４から出力された生体信号と、装着者の左右の股関節角度とに基づいて、当該装着者の動作および姿勢を判定し、当該判定の結果に応じた駆動トルクを駆動機構３１に発生させる。
駆動機構３１は、装着者が対象物を持ち上げる際は、腰フレーム２（第１腰部フレーム２Ａおよび第２腰部フレーム）に同時に駆動トルクを伝達して当該腰フレームを装着者の背中側に駆動する一方、装着者の歩行および階段の昇降時には、大腿固定部２０（左大腿固定部２０Ｌおよび右大腿固定部）に駆動トルクを伝達して左右の大腿固定部を交互に前後方向に駆動するようになされている。
なお、駆動機構３１は、アクチュエータ（駆動モータ）からなる。股関節角度計測部３２は、関節回動角度を検出する角度センサからなる。生体信号検出部３４は、生体信号検出センサからなる。
また第１腰フレーム２Ａには、後述する腰部負荷評価装置６０（すなわち、制御装置３３内の制御系構成要素）における体幹角度計測部６１（図９）として、装着者の腰部の傾斜角度を計測する絶対角度センサが設けられている。
また、データ格納部５０には、基準パラメータデータベース５１と、指令信号データベース５２とが格納されている。
制御装置３３は、例えば、メモリを有するＣＰＵ（Central Processing Unit）チップで構成され、随意的制御部４０と自律的制御部４１とフェーズ特定部４２とゲイン変更部４３とを備えている。
随意的制御部４０は、生体信号検出部３４の検出信号に応じた指令信号を電力増幅部４４に供給する。随意的制御部４０は、生体信号検出部３４に所定の指令関数f(t)またはゲインGを適用して指令信号を生成する。このゲインGは予め設定された値又は関数でも良く、ゲイン変更部４３を介して調整することができる。
また、装着者の皮膚が汗で濡れることが予想される場合には、生体信号検出部３４からの生体信号の入力が得られないときに、股関節角度計測部３２により検出された各データ(角度センサにより検出された関節角度データ)に基づいて各アクチュエータ（駆動モータ）の駆動トルクを制御する方法を選択することも可能である。
股関節角度計測部３２によって検出された股関節角度は、基準パラメータデータベース５１に入力される。フェーズ特定部４２では、股関節角度計測部３２により検出された関節角度を基準パラメータデータベース５１に格納された基準パラメータの関節角度と比較することにより、装着者の動作のフェーズを特定する。
そして、自律的制御部４１では、フェーズ特定部４２により特定されたフェーズの制御データを得ると、このフェーズの制御データに応じた指令信号を生成し、この動力を駆動機構３１に発生させるための指令信号を電力増幅部４４に供給する。
データ格納部５０は、各データを格納するメモリを有し、起立動作、歩行動作や着席動作など各動作パターン（タスク)毎に設定されたフェーズ単位の制御データが予め格納されたデータベース格納領域と、各アクチュエータを制御するための制御プログラムが格納された制御プログラム格納領域などが設けられている。データベース格納領域には、基準パラメータデータベース５１と指令信号データベース５２が格納されている。
また制御装置３３には、構成要素として、マイナスボタン１３、プラスボタン１４および電源ボタン１５のボタン群と、アクチュエータの回転動作に対して制動力を発生させるブレーキ機構１６とが接続されている。
制御装置３３は、電源ボタン１５が押下されると電源オン状態にし、マイナスボタン１３、プラスボタン１４および電源ボタン１５を点灯させるとともに、ブレーキ機構をオン状態にして、大腿固定部２０が動かされると抵抗力を発生させる。
そして、センサ２３によって検出された生体信号が入力されると、マイナスボタン１３またはプラスボタン１４によって入力されるアクチュエータの駆動レベルに応じた駆動力をアクチュエータに発生させる。マイナスボタン１３またはプラスボタン１４は、制御装置３３のトルクチューナを制御するためのボタンであり、トルクチューナは、アシスト力を５段階に設定することができる。
例えば、トルクチューナを「１」に設定した場合には、２０％のアシストトルクを上限とし、最大３Ｎｍのアシストが受けられ、トルクチューナを「５」に設定した場合には、１００％のアシストトルクを上限とし、最大１５Ｎｍのアシストが受けられる。また、トルクの上限を設定するためのトルクリミッタを設けてもよい。
この際に、制御装置３３は、センサから入力される生体信号の信号レベルに応じて、駆動力を制御する。アシストを行うために本装置にはサイバニック随意制御（ＣＶＣ：Cybernic Voluntary Control）モードが搭載されている。
ＣＶＣモードのとき本装置内部の制御系システム３０において、以下（ｉ）～（iii）の順序でアシストトルクを決定する。（ｉ）腰部の生体電位信号から基準アシストトルクを計算する。（ii）トルクチューナの値に基づき基準アシストトルクを増幅する。（iii）姿勢や動作内容に応じてアシストトルクを調整する。
また、制御装置３３は、アクチュエータの回転動作時に、大腿固定部２０と第１腰部フレーム２Ａおよび第２腰部フレーム２Ｂとから入力される装着者の反力を検出し、反力が所定レベル以下になると、ブレーキ機構１６の抵抗力を増大させて、アクチュエータの動作を停止させる。反力が所定レベル以下になる状態は、例えば、大腿固定部２０の装着ベルト４、５が外れた状態で、安全性を確保するために動作を停止させる必要があるためである。
実施の形態の装着式動作補助装置１によれば、装着者が図４（Ａ）に示すように屈んだ状態から、図４（Ｂ）に示すように立ち上がる際に、腰部に対する大腿部の動きを補助するように補助力を発生することができる。
このような補助力は、センサ２３によって検出される、装着者が体幹を起こそうとする際の筋活動あるいは体幹の角度を維持しようとする際の筋活動に伴う生体信号に基づいてアクチュエータが駆動されることによって発生される。
従って、装着者の意志に応じて必要な補助力を必要な方向に提供できる、利便性の高い装着式動作補助装置を提供することができる。また、装着者が自ら発生すべき動力（筋力）を可及的に抑えることができ、かつ、装着者の利便性を損なう事態を抑えることのできる装着式動作補助装置１を提供することができる。
なお、制御装置３３は、装着者の左右大腿の生体信号の信号レベルが左右均等でないと判断した場合は、装着者が歩行中であると判定する一方、当該信号レベルが左右均等であると判断した場合は、装着者が停止状態にあると判定するようになされている。
また、制御装置３３は、装着者が停止状態にあると判定した状態において、左右の股関節角度が共に所定の規定角度より大きいと判断した場合は、当該装着者が歩行中であると判定する一方、当該規定角度以下であると判断した場合、当該装着者が上体を前方に低くした姿勢であると判定するようになされている。
（３）人間の内骨格構造に基づく腰痛要因
人間の骨格の中でも脊柱は、体幹を支える支持作用、脊髄を保護する保護作用等の重要な役割を担っている。脊柱は、前額面においては直線的かつ左右対称であり、矢状面においてはＳ字状に湾曲（生理的彎曲）している。
人間の骨格の中でも脊柱は、体幹を支える支持作用、脊髄を保護する保護作用等の重要な役割を担っている。脊柱は、前額面においては直線的かつ左右対称であり、矢状面においてはＳ字状に湾曲（生理的彎曲）している。
脊柱は３３個の椎骨で形成され、椎骨は上から順に７個を頸椎（Cervical vertebrae：Ｃ１～Ｃ７）、１２個を胸椎（Thoracic vertebrae：Ｔ１～Ｔ１２）、５個を腰椎（Lumbar vertebrae：Ｌ１～Ｌ５）、５個を仙椎（Sacrum：Ｓ１～Ｓ５）、４個を尾椎（Coccyx）と言われている。
それぞれの椎骨は、前部は椎間板で後部は椎弓によって結合し連なっている。椎骨と椎骨の間に存在する椎間板は、中心に髄核があり、その回りを線維輪が取り巻き、前後の靱帯によって椎体間におさまり緩衝の役割を果たしている。
椎骨は、前部にある円形状の椎体と後部にあるアーチ状の椎弓から成り、椎弓には上・下関節突起、棘突起、横突起がある。椎体と椎間板のことを前部脊柱と言い、脊柱の支持の役割を担っている。また、椎弓と関節突起のことを後部脊柱と言い、運動の調節機能を担っている。
脊柱の運動に関して重要なのは、椎間関節と椎体間の連結であり、胸椎と腰椎の椎間関節面の違いを図７に示す。頸椎の椎間関節は、関節面は平面に近いため上位頸椎以外は屈曲、伸展、側屈をする。回旋運動はＣ１、Ｃ２で行われる。胸椎の椎間関節は外開きの斜位をとり、同時に胸郭も付随するため、回旋と側屈はできるが屈曲・伸展はできない。
腰椎では関節面が縦になるため、回旋、側屈ができず屈曲・伸展のみ可能である。図７に示すように、腰椎の屈曲・伸展動作は第１、２腰椎間（Ｌ１－Ｌ２）、第２、３腰椎間（Ｌ２－Ｌ３）、第３、４腰椎間（Ｌ３－Ｌ４）で５～１０％、第４、５腰椎間（Ｌ４－Ｌ５）で２０％、第５腰椎仙椎間（Ｌ５－Ｓ１）で７０～７５％の割合で行われると言われている。
腰痛には、身体的要因と心理的要因があり、身体的要因のほとんどは、筋肉、靱帯、骨、椎間板の損傷が原因である。椎間板損傷の代表例として椎間板ヘルニア症がある。ヘルニアとは、体内の臓器等が本来あるべき部位から脱出した状態を指し、椎間板ヘルニアは椎間板の一部が正常の椎間腔を超えて突出した状態である。
腰椎の中でＬ５－Ｓ１に存在する椎間板は可動椎と不動椎の移行部に存在するため、体幹の屈曲に際してより大きな負荷がかかり、椎間板は損傷を受けやすい。そのため、椎間板ヘルニア症の９５％は、Ｌ４－Ｌ５、Ｌ５－Ｓ１の椎間板で発症する。椎間板の周囲には知覚繊維が分布しており、椎間板内圧が高まる姿勢をとった場合、その神経が刺激され痛みが生じる。
（４）椎間板圧迫力の推定理論と腰部負荷
以下において、作業姿勢や対象物や発揮する筋力等から椎間板への物理的負荷である椎間板圧迫力を負荷評価指標として推定する方法を述べる。
以下において、作業姿勢や対象物や発揮する筋力等から椎間板への物理的負荷である椎間板圧迫力を負荷評価指標として推定する方法を述べる。
図８（Ａ）に示す力学モデルについて、２次元の静的作業におけるＬ５－Ｓ１の椎間板にかかる椎間板圧迫力の推定式について説明する。上半身の重量Ｗｕ［kg］は、装着者の体重をＷｂ［kg］とすると、次式（１）のように近似することができる。
Ｌ５－Ｓ１の椎間板から上半身の重心までの水平距離Ｇｕ［m］は、装着者の身長をＬｂ［m］、体幹角度(肩－大転子線と鉛直線のなす角度)をθｔ［deg］とすると、次式（２）のように近似することができる。
同様に対象物の重心までの水平距離Ｇｏ［m］は、装着者の椎間板から肩までの距離をＬｓ［m］とすると、次式（３）で与えられる。
装着者の体重と対象物の重量によって生じるＬ５－Ｓ１の椎間板周りの腰部モーメントＭｌ［Nm］は、次式（４）によって与えられる。ただし、ｇ［Nm/s2］は重力加速度、Ｗｏ［kg］は把持対象物の重量である。
腰椎を安定させている筋には、脊柱起立筋群と腹直筋、内・外腹斜筋、腹横筋等の腹筋群がある。腹腔は液体と半ば流動体に近いものが詰まっており、密閉可能な体腔である。腹腔内圧の上昇は腹筋群および横隔膜の収縮で起こる。腹腔の空間が圧迫されると、それを保持する力が生じ、脊柱にかかる力を分散することになり圧迫力は減少する。しかし、強い前屈や中腰で体幹部が曲がると、腹壁がたるんでしまうため腹圧は減少してしまう。
腹腔内圧による力Ｆａ［N］はFisherの推定式から次式（５）で表すことができる。ただし、θｈ［deg］は股関節の関節角度、Ａｄ［m2］は横隔膜面積であり、0.0465［m2］を用いる。
腹腔内圧のモーメントアームＤａ［m］は、Morrisらの推定式より、股関節の関節角度θｈを用いて、次式（６）のように推定される。
脊柱起立筋による力Ｆｅ［N］は次式（７）で与えられる。ただし、Ｄｅ［m］は脊柱起立筋のモーメントアームであり0.05［m］を用いる。
Ｌ５－Ｓ１の椎間板は、図８（Ｂ）に示すように関節面が傾いているため、椎間板圧迫力と椎間板せん断力がかかり、それぞれの力の割合は関節面の傾斜角に依存する。Ｌ５－Ｓ１の椎間板の関節面は骨盤の回旋角で決まり、骨盤回旋は体幹が屈曲するほど増加するが、中腰で股関節と膝関節の屈曲が起こると減少する。
Ｌ５－Ｓ１の椎間板の関節面の傾斜角θａ[deg]はAndersonらの推定式より次式（８）で推定する。ただし、θｋ[deg]は膝関節の関節角度である。なお、膝関節の関節角度θｋは、計測される股関節の関節角度θｈと体幹角度θｔから推定することが可能である。
椎間板を損傷するのは、椎間板を垂直に圧迫する椎間板圧迫力であり、椎間板圧迫力Ｆｃ[Nm]は次式（９）により与えられる。
椎間板せん断力Ｆｓ［Nm］は、次式（１０）により与えられる。
Ｌ５－Ｓ１の椎間板にかかる椎間板圧迫力の許容限界は、米国国立労働衛生研究所NIOSH（National Institute for Occupational Safety Health）により3,400［N］と定められており、これを超えると腰痛が生じるとされている。
例えば、身長1.75[m]、体重65[kg]の人が体幹を60[deg]屈曲させた姿勢で、30[kg]の対象物を把持している条件で、上述の式（９）を計算すると約3,525［N］の椎間板圧迫力がＬ５－Ｓ１の椎間板にかかる。これはＬ５－Ｓ１の椎間板にかかる椎間板圧迫力の許容限界を超えている。
（５）本実施の形態による腰部負荷評価装置の構成
本発明においては、上述した装着式動作補助装置１を用いた腰部負荷評価装置６０により、装着者の腰痛発症リスクを非常に高い精度で推定するようになされている。
本発明においては、上述した装着式動作補助装置１を用いた腰部負荷評価装置６０により、装着者の腰痛発症リスクを非常に高い精度で推定するようになされている。
この腰部負荷評価装置６０は、上述した図６に示す装着式動作補助装置１内の制御装置３３内に設けられた制御系構成要素であり、図９に示すように、体幹角度計測部６１と椎間板圧迫力推定部６２と区分経過時間計測部６３と腰痛発生リスク予測部６４とを備える。さらに後述するように、装着式動作補助装置１による動作支援ようの制御パフォーマンスを最適化させるための作業負荷分析部７０および最適化データ生成部７１も備えている。
体幹角度計測部６１は、腰フレーム２（特に第１腰フレーム２Ａ）に取り付けられた絶対角度センサを用いて、装着者の腰部の傾斜角度を当該装着者の体幹角度として継続的に計測する。
椎間板圧迫力推定部６２は、外部から入力された装着者が把持する対象物の重量と装着者の身長および体重と、体幹角度計測部６１により計測される体幹角度とに基づいて、装着者の椎間板の椎体連結方向に加わる椎間板圧迫力を継続的に推定する。
さらに装着者の椎間板圧迫力の推定精度を向上させるべく、椎間板圧迫力推定部６２は、装着者の体幹角度と当該装着者の左右の股関節角度との組合せに基づいて、当該装着者の椎間板の椎体連結方向に加わる椎間板圧迫力を継続的に推定するようにしてもよい。
なお、対象物の重量は、装着者の両足にそれぞれ床反力センサ（図示せず）を搭載しておき、当該対象物を把持した分の増加量として計量するようにしてもよい。また装着者の身長および体重は、装着式動作補助装置１に付随する所定の入力装置（図示せず）を用いて入力される。
区分経過時間計測部６３は、椎間板圧迫力推定部６２により推定された椎間板圧迫力を負荷レベルに応じて区分すると同時に、当該区分ごとに経過時間を時系列的に計測する。
図１０（Ａ）に把持する対象物の重量と椎間板圧力との関係に基づいて、図１０（Ｂ）に示すように椎間板圧迫力を５段階の負荷レベルに区分する。具体的に椎間板圧迫力が1,800［N］未満を負荷レベル１、1,800［N］以上2,200［N］未満を負荷レベル２（低負荷）、2,200［N］以上2,600［N］未満を負荷レベル３（中負荷）、2,600［N］以上3,000［N］未満を負荷レベル４、3,000［N］以上を負荷レベル５（高負荷）と区分する。
また図１１に装着者の作業姿勢および把持する対象物の重量との関係を示す。例えば対象物の重量が10［kg］の場合、装着者の体幹角度が70［deg］では低負荷レベルの作業を行うことがわかる。
腰痛発生リスク予測部６４は、対象物を取り扱う重筋作業の作業時間内における区分経過時間計測部６３の計測履歴に基づいて、装着者の腰痛症状の発生リスクを予測する。
このように装着式動作補助装置１を用いた腰部負荷評価装置６０では、対象物の重量、装着者の身長および体重ならびに装着者の体幹角度に基づいて、装着者の椎間板圧迫力を継続的に推定し、当該椎間板圧迫力を負荷レベルに応じた区分ごとに経過時間を時系列的に計測しながら、対象物を取り扱う重筋作業の作業時間内における装着者の腰痛症状の発生リスクを予測するようにした。この結果、装着者の腰部にかかる瞬間的負荷のみならず繰返し負荷や継続的負荷についても腰痛症状の発生リスクの予測指標を得ることができる。
また腰部負荷評価装置６０では、腰痛発生リスク予測部６４は、椎間板圧迫力推定部６２の推定履歴に基づいて、作業時間内に椎間板圧迫力の最大値が所定の許容限界値（3,400［N］）の近傍である場合には、装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する。
この結果、腰部負荷評価装置６０では、作業時間内にリアルタイムで椎間板圧迫力を計測しながら、負荷レベルの区分に関係なく、その最大値が瞬間的に許容限界値の近傍に達した場合には、腰痛症状の発生リスクがあると判断することができる。
さらに腰部負荷評価装置６０では、腰痛発生リスク予測部６４は、体幹角度計測部６１の計測履歴に基づいて、作業時間内に装着者の体幹角度が中腰姿勢となる所定範囲内（例えば45±3［deg］）を所定時間継続する場合には、装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する。この結果、腰部負荷評価装置６０では、装着者が中腰姿勢を所定時間継続する場合には、腰痛症状の発生リスクが高いと判断することができる。
さらに腰部負荷評価装置６０では、腰痛発生リスク予測部６４は、作業時間内における椎間板圧迫力推定部６２および区分経過時間計測部６３の各計測履歴に基づいて、当該作業時間内に装着者の腰部にかかる負荷の平均値を算出し、当該平均値が所定の閾値以上になる場合に、装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する。
この結果、腰部負荷評価装置６０では、作業時間内における装着者の腰部にかかる負荷が瞬間的に高くなく、かつ中腰姿勢の時間的長さが比較的短くても、当該負荷が平均して所定の閾値以上になる場合には、腰痛症状の発生リスクが高いと判断することができる。
さらに腰部負荷評価装置６０では、腰痛発生リスク予測部６４は、体幹角度計測部６１の計測履歴に基づいて、作業時間内における装着者の体幹角度の最大値と対象物の重量との関係性に応じた装着者の腰痛症状の発生リスクを予測する。
この結果、腰部負荷評価装置６０では、作業時間内における装着者の中腰姿勢に対して対象物の重量が許容範囲よりも大きい場合には、腰痛症状の発生リスクが高いと判断することができる。
さらに腰部負荷評価装置６０では、腰痛発生リスク予測部６４は、作業時間内における区分経過時間計測部６３の計測履歴に基づいて、当該作業時間内に椎間板圧迫力の負荷レベルが所定レベル以上の区分に該当する累積時間が所定時間以上の場合には、装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する。
この結果、腰部負荷評価装置６０では、作業時間内に椎間板圧迫力の負荷レベルが極端に大きくない状態が続いても、所定レベル以上の区分に該当する累積時間が所定時間以上になる場合には、腰痛症状の発生リスクが高いと判断することができる。
さらに腰部負荷評価装置６０では、作業負荷分析部７０は、腰痛発生リスク予測部６４の予測結果に基づいて、重筋作業に関する装着者の腰部および内骨格系における負荷を軽減するための作業負荷を分析する。そして最適化制御データ生成部７１は、作業負荷分析部７０の分析結果に基づいて、装着式動作補助装置１による動作支援用の制御パフォーマンスを最適化させるための制御データを生成する。
装着式動作補助装置１による動作支援用の制御パフォーマンスとしては、駆動機構（アクチュエータ）３１の平均出力トルクや最大出力トルク、トルクチューナ設定等が挙げられる。
この結果、装着式動作補助装置１を用いた腰部負荷評価装置６０では、装着式動作補助装置１による動作支援用の制御パフォーマンスを最適化させることによって、重筋作業に関する装着者の腰部および内骨格系における作業負荷を軽減することができる。
（６）他の実施の形態
なお本実施の形態においては、装着式動作補助装置として、装着者の両大腿部および腹部を固定して装着し、装着者の腰部の動作をアシストする構成のものを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、装着者の腰部の動作をアシストすることができれば、装着者の両大腿部と腹部および肩部のいずれか一方または両方とを固定して装着する構成のものを適用するようにしてもよい。
なお本実施の形態においては、装着式動作補助装置として、装着者の両大腿部および腹部を固定して装着し、装着者の腰部の動作をアシストする構成のものを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、装着者の腰部の動作をアシストすることができれば、装着者の両大腿部と腹部および肩部のいずれか一方または両方とを固定して装着する構成のものを適用するようにしてもよい。
１…装着式動作補助装置、２…腰フレーム、２Ａ…第１腰フレーム、２Ｂ…第２腰フレーム、３…支柱、４、５…装着ベルト、１０…左側部フレーム、１１…右側部フレーム、１２…バッテリ、１３…マイナスボタン、１４…プラスボタン、１５…電源ボタン、１６…ブレーキ機構、２０…大腿固定部、２０Ｌ…左大腿固定部、２０Ｒ…右大腿固定部、２１Ｌ、２１Ｒ…ステー部、２２Ｌ、２２Ｒ…ベルト部、３０…制御系システム、３１…駆動機構、３２…股関節角度計測部、３３…制御装置、３４…生体信号検出部、４０…随意的制御部、４１…自律的制御部、４２…フェーズ特定部、４３…ゲイン変更部、４４…電力増幅部、５０…データ格納部、５１…基準パラメータデータベース、５２…指令信号データベース、６０…腰部負荷評価装置、６１…体幹角度計測部、６２…椎間板圧迫力推定部、６３…区分経過時間計測部、６４…腰痛発生リスク予測部、７０…作業負荷分析部、７１…最適化制御データ生成部。
Claims (18)
- 装着者の両大腿部と腹部および肩部のいずれか一方または両方とを固定して装着され、前記装着者の腰部の動作をアシストする装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置において、
前記装着式動作補助装置に設けられ、前記装着者の腰部の傾斜角度を当該装着者の体幹角度として継続的に計測する体幹角度計測部と、
外部から入力された前記装着者が把持する対象物の重量と前記装着者の身長および体重と、前記体幹角度計測部により計測される前記体幹角度とに基づいて、前記装着者の椎間板の椎体連結方向に加わる椎間板圧迫力を継続的に推定する椎間板圧迫力推定部と、
前記椎間板圧迫力推定部により推定された前記椎間板圧迫力を負荷レベルに応じて区分すると同時に、当該区分ごとに経過時間を時系列的に計測する区分経過時間計測部と、
前記対象物を取り扱う重筋作業の作業時間内における前記区分経過時間計測部の計測履歴に基づいて、前記装着者の腰痛症状の発生リスクを予測する腰痛発生リスク予測部と
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 前記装着式動作補助装置に設けられ、前記装着者の左右の股関節における屈曲伸展時の動作角度をそれぞれ当該装着者の左右の股関節角度として継続的に計測する股関節角度計測部をさらに備え、
前記椎間板圧迫力推定部は、前記装着者の前記体幹角度と当該装着者の左右の前記股関節角度との組合せに基づいて、当該装着者の椎間板の椎体連結方向に加わる椎間板圧迫力を継続的に推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 前記腰痛発生リスク予測部は、前記椎間板圧迫力推定部の推定履歴に基づいて、前記作業時間内に前記椎間板圧迫力の最大値が所定の許容限界値の近傍である場合には、前記装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 前記腰痛発生リスク予測部は、前記体幹角度計測部の計測履歴に基づいて、前記作業時間内に前記装着者の体幹角度が中腰姿勢となる所定範囲内を所定時間継続する場合には、前記装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 前記腰痛発生リスク予測部は、前記作業時間内における前記椎間板圧迫力推定部および前記区分経過時間計測部の各計測履歴に基づいて、当該作業時間内に前記装着者の腰部にかかる負荷の平均値を算出し、当該平均値が所定の閾値以上になる場合に、前記装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 前記腰痛発生リスク予測部は、前記体幹角度計測部の計測履歴に基づいて、前記作業時間内における前記装着者の体幹角度の最大値と前記対象物の重量との関係性に応じた前記装着者の腰痛症状の発生リスクを予測する
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 前記腰痛発生リスク予測部は、前記作業時間内における前記区分経過時間計測部の計測履歴に基づいて、当該作業時間内に前記椎間板圧迫力の負荷レベルが所定レベル以上の区分に該当する累積時間が所定時間以上の場合には、前記装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する
ことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 前記腰痛発生リスク予測部の予測結果に基づいて、前記重筋作業に関する前記装着者の腰部および内骨格系における負荷を軽減するための作業負荷を分析する作業負荷分析部と、
前記作業負荷分析部の分析結果に基づいて、前記装着式動作補助装置による動作支援用の制御パフォーマンスを最適化させるための制御データを生成する最適化制御データ生成部と
を備えることを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 前記装着式動作補助装置は、
前記装着者の腰に装着されかつ左右両側で連結可能な腰フレームと、前記装着者の左右の大腿部に固定されかつ当該各大腿部の外側で連結可能な大腿固定部とをそれぞれ相対的に回転駆動するように駆動トルクを発生して、前記大腿固定部または前記腰フレームを駆動する駆動機構と、
前記駆動機構に設けられ、前記腰フレームと前記大腿固定部との間の回動角度をそれぞれ前記装着者の左右の股関節角度として検出する股関節角度計測部と、
前記股関節角度計測部による前記装着者の左右の前記股関節角度に基づいて、当該装着者の動作および姿勢を判定し、当該判定の結果に応じた駆動トルクを前記駆動機構に発生させる制御部と
を備えることを特徴とする請求項１から８までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 前記装着者の左腿および右腿の動きに伴う大腿直筋および大殿筋の生体信号と、当該装着者の背中の広背筋の生体信号とを検出する生体信号検出部とをさらに備え、
前記制御部は、前記生体信号検出から出力された生体信号と、前記装着者の左右の前記股関節角度とに基づいて、当該装着者の動作および姿勢を判定し、当該判定の結果に応じた駆動トルクを前記駆動機構に発生させる
ことを特徴とする請求項９に記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価装置。 - 装着者の両大腿部と腹部および肩部のいずれか一方または両方とを固定して装着され、前記装着者の腰部の動作をアシストする装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法において、
前記装着式動作補助装置を装着する前記装着者の腰部の傾斜角度を当該装着者の体幹角度として継続的に計測する第１ステップと、
外部から入力された前記装着者が把持する対象物の重量と前記装着者の身長および体重と、前記第１ステップにより計測される前記体幹角度とに基づいて、前記装着者の椎間板の椎体連結方向に加わる椎間板圧迫力を継続的に推定する第２ステップと、
前記第２ステップにより推定された前記椎間板圧迫力を負荷レベルに応じて区分すると同時に、当該区分ごとに経過時間を時系列的に計測する第３ステップと、
前記対象物を取り扱う重筋作業の作業時間内における前記第３ステップの計測履歴に基づいて、前記装着者の腰痛症状の発生リスクを予測する第４ステップと
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法。 - 前記第１ステップでは、
前記装着者の左右の股関節における屈曲伸展時の動作角度をそれぞれ当該装着者の左右の股関節角度として継続的に計測し、
前記第２ステップでは、
前記装着者の前記体幹角度と当該装着者の左右の前記股関節角度との組合せに基づいて、当該装着者の椎間板の椎体連結方向に加わる椎間板圧迫力を継続的に推定する
ことを特徴とする請求項１１に記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法。 - 前記第４ステップでは、
前記第３ステップの推定履歴に基づいて、前記作業時間内に前記椎間板圧迫力の最大値が所定の許容限界値の近傍である場合には、前記装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する
ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法。 - 前記第４ステップでは、前記第１ステップの計測履歴に基づいて、前記作業時間内に前記装着者の体幹角度が中腰姿勢となる所定範囲内を所定時間継続する場合には、前記装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する
ことを特徴とする請求項１１から１３までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法。 - 前記第４ステップでは、前記作業時間内における前記第２ステップおよび前記第３ステップの各計測履歴に基づいて、当該作業時間内に前記装着者の腰部にかかる負荷の平均値を算出し、当該平均値が所定の閾値以上になる場合に、前記装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する
ことを特徴とする請求項１１から１４までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法。 - 前記第４ステップでは、前記第１ステップの計測履歴に基づいて、前記作業時間内における前記装着者の体幹角度の最大値と前記対象物の重量との関係性に応じた前記装着者の腰痛症状の発生リスクを予測する
ことを特徴とする請求項１１から１５までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法。 - 前記第４ステップでは、前記作業時間内における前記第３ステップの計測履歴に基づいて、当該作業時間内に前記椎間板圧迫力の負荷レベルが所定レベル以上の区分に該当する累積時間が所定時間以上の場合には、前記装着者の腰痛症状の発生リスクが高いと判断する
ことを特徴とする請求項１１から１６までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法。 - 前記第４ステップの予測結果に基づいて、前記重筋作業に関する前記装着者の腰部および内骨格系における負荷を軽減するための作業負荷を分析する第５ステップと、
前記第５ステップの分析結果に基づいて、前記装着式動作補助装置による動作支援用の制御パフォーマンスを最適化させるための制御データを生成する第６ステップと
を備えることを特徴とする請求項１１から１７までのいずれかに記載の装着式動作補助装置を用いた腰部負荷評価方法。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| EP4026665A1 (en) | 2022-07-13 |
| JP2021037059A (ja) | 2021-03-11 |
| EP4026665A4 (en) | 2023-10-11 |
| JP7384597B2 (ja) | 2023-11-21 |
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