装着型動作支援装置
【課題】腰部フレームと、腰部フレームの上部に接続されて装着者の肩に係留される背部フレームと、腰部フレームの下部に接続されて装着者の下肢に係留される下肢フレームとを備えた身体装着型動作支援装置であって、装着者の歩行時に装着者の骨盤の揺動に起因する背部フレームの揺れを抑制することを目的とする。
【解決手段】装着型動作支援装置１０に、装着者の左右方向に長尺な基部３１を有する腰部フレーム３０と、腰部フレーム３０の下部に接続される左右一対の下肢フレーム５０，５０と、腰部フレーム３０の基部３１の上部に接続される背部フレーム４０と、背部フレーム４０と腰部フレーム３０の基部３１とを接続する接続部７０とを備える。接続部７０は、前額面上の１自由度の回転機構であって、例えば、四節リンク機構で構成される。
【解決手段】装着型動作支援装置１０に、装着者の左右方向に長尺な基部３１を有する腰部フレーム３０と、腰部フレーム３０の下部に接続される左右一対の下肢フレーム５０，５０と、腰部フレーム３０の基部３１の上部に接続される背部フレーム４０と、背部フレーム４０と腰部フレーム３０の基部３１とを接続する接続部７０とを備える。接続部７０は、前額面上の１自由度の回転機構であって、例えば、四節リンク機構で構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体に装着されて、人体の筋力を補助又は代行する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高齢者や身体障害者の身体に装着されて、筋力を補助又は代行することにより歩行や移乗（車椅子とベッド間の移動等）などの動作を支援する装着型動作支援装置が実用化されつつある。この技術は、健常者の重作業を補助する装着型動作支援装置の開発にも応用されている。装着型動作支援装置を長時間駆動させるためには、長寿命のバッテリが必要となる。このようなバッテリは、一般に大型且つ重量物である。そこで、バッテリや装着具を含む装置の荷重を装着者に負担させない構造を備えた装着型動作支援装置が特許文献１，２に記載されている。
【０００３】
特許文献１に示された装着式動作補助装置は、図１４（ａ）に示すように、アクチュエータを具備する装着具１０１と、装着者の生体信号を検出する生体信号センサ１０２と、装着者の生体信号に基づいてアクチュエータを操作させる制御装置１０３とを備えている。装着具１０１は、装着者の胴体に巻き付けられるウエスト部１０４と、ウエスト部１０４に上方から差し込まれたバックパック１０５と、装着者の脚部に固定される脚部１０６とを備えている。バックパック１０５には、バッテリや制御装置１０３が収容されている。脚部１０６は、ウエスト部１０４の下部に固定された股関節アクチュエータ１１１、大腿装具１１２、膝関節アクチュエータ１１３、下腿装具１１４および足フレーム１１５を備え、この順番で接続されている。上記構成の装着具１０１は、装着者の足を乗せる足フレーム１１５を有するので、バックパックおよび装着具の荷重は全て足フレームで支えられて装着者に負荷されない。
【０００４】
また、特許文献２では、下肢外骨格装置（lower extremity exoskeleton）が示されている。特許文献２のｆｉｇ．９に記載された下肢外骨格装置は、図１５に示すように、骨盤フレーム１２０と、骨盤フレーム１２０の上部に接続された背部フレーム１２１と、骨盤フレーム１２０の下部に接続された下肢フレーム１２３とを備えている。この下肢外骨格においても、下肢フレーム１２３に装着者の足を乗せる足フレーム１２４が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９５５６１号公報
【特許文献２】米国特許公開公報ＵＳ２００６／０２６０６２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
人間が歩行するときに、人間の骨盤は前額面上で水平から最大で５−８度揺動することが知られている。ここで、「前額面」とは人間の身体を前後に切る面をいい、「前額面上で揺動」とは前額面に垂直な軸を中心として前額面と平行に揺動することをいう。前額面は、冠状面または前頭面とも呼ばれる。特許文献１に記載された装着式動作補助装置では、図１４（ｂ）に示すように、装着者の骨盤の揺動に伴いウエスト部１０４が水平から揺動すると、ウエスト部１０４に取り付けられたバックパック１０５に揺動が伝播する。ウエスト部１０４では僅かな揺れであっても、ここから離れたバックパック１０５の上端部では揺れが拡大する。バックパック１０５が揺れると、バックパック１０５を装着者の身体（肩、胸又は脇）に係留させている部分が身体と擦れて装着者に不快感を与える。さらに、バックパック１０５は重量物であるので、装着者はバランスを保って歩行を安定化させるために余計な筋力活動を消費することとなる。
【０００７】
また、図１５に示すように、特許文献２に記載された下肢外骨格装置では、骨盤フレーム１２０が左右２部材に分割されるとともに１つの枢軸で連結されており、骨盤フレーム１２０は前額面上で回転２自由度を有している。背部フレーム１２１は、骨盤フレーム１２０を構成している２部材が枢結されている枢軸に枢支されている。このような構造においては、背部フレーム１２１に積載された荷が重くなると自重により背部フレーム１２１が下方へ沈み込もうとするので、背部フレーム１２１を装着者の身体に係留させている肩ベルトから、装着者の肩部へ負担がかかってしまう。
【０００８】
そこで、本発明では、腰部フレームと、腰部フレームの上部に接続された背部フレームと、腰部フレームの下部に接続された下肢フレームとを備えた装着型動作支援装置であって、装着者の歩行時に装着者の骨盤の揺動に起因する背部フレームの揺れを抑制し、背部フレームを身体に係留させている係止具と身体との擦れを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る装着型動作支援装置は、装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、前記装着者の左右方向に長尺な基部を有し、前記装着者の腰周りに装着される腰部フレームと、前記腰部フレームの下部に接続されて、前記装着者の下肢に装着される左右一対の下肢フレームと、前記腰部フレームの上部に接続されて、前記装着者の肩に係留させるための係止具を有する背部フレームと、前記背部フレームと前記腰部フレームの基部とを接続する前額面上の１自由度の回転機構とを備えているものである。ここで「前額面上の１自由度の回転機構」とは、腰部フレームと背部フレームのうち一方の入力動作に対し他方に前額面上の１自由度の回転動作を出力させる機構をいう。
【００１０】
前記装着型動作支援装置において、前記回転機構は、前記腰部フレームに設けられて前記基部と略平行な下リンクと、前記背部フレームに設けられた上リンクと、前記下リンクと前記上リンクのそれぞれに接合された左リンクおよび右リンクとから成り、前記腰部フレームの左右中央を対称軸として線対称な四節リンク機構とすることができる。
【００１１】
上記装着型動作支援装置によれば、装置を身体に装着した装着者が歩行したときに、装着者の骨盤の揺動に伴って腰部フレームが水平から揺動するが、この腰部フレームの揺動は背部フレームへ伝播しない。このように背部フレームの横揺れが抑制されるので、背部フレームを装着者の身体へ係留させている部分と身体との擦れを防止することができる。
【００１２】
前記装着型動作支援装置において、前記四節リンク機構は、四節を順に線で結んだ形状が上下逆台形であることがよい。なお、上記四節リンク機構において、四節は各リンクの接合部に相当する。また、ここで「上下逆台形」とは、上辺が下辺より長く、左辺と右辺の長さが等しい台形をいう。上記構成によれば、片立脚状態にあるときに、腰部フレームの傾きに伴って立脚側へ背部フレームの重心が移動し、装置の荷重は立脚側の下肢フレームに掛かることとなる。
【００１３】
前記装着型動作支援装置において、前記下リンクおよび前記上リンクのうち少なくとも一方の前記右リンクおよび前記左リンクとの接合位置は前記左右方向に可変であることがよい。かかる構成により、四節リンク機構の上辺（上リンクの右リンクおよび左リンクの接合部間）と下辺（下リンクの右リンクおよび左リンクの接合部間）のうち少なくとも一方の長さが可変となる。そして、四節リンク機構の上辺および下辺のうち少なくとも一方の長さを変化させることで、四節リンク機構の大きさを装着者の体格に合わせたり、下リンクが揺動したときの下リンクに対する上リンクの左右中央の変位量の最大値を調整したりすることができる。
【００１４】
前記装着型動作支援装置において、前記回転機構は、前記腰部フレームの前記基部の左右略中央および前記背部フレームの左右略中央のそれぞれに設けられた接合孔に挿通された前額面に垂直な軸で構成されていてもよい。係る構成により、腰部フレームと背部フレームとは前額面上で回転１自由度を有する対偶となる。
【００１５】
前記装着型動作支援装置において、前記左右一対の下肢フレームおよび前記腰部フレームは、総じて４の前額面上の回転自由度と総じて４以上の矢状面上の回転自由度とを有することがよい。このような装着型動作支援装置において、例えば、前記左右一対の下肢フレームは、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記装着者の足部に装着される足下アームとを各々に有し、前記大腿アームと前記下腿アームは矢状面上で回動可能に接続され、前記腰部フレームと前記大腿アームおよび前記下腿アームと前記足下アームは矢状面上および前額面上で回動可能に接続されている。
【００１６】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは、前記足下アームに対する前記下腿アームの前額面上の回動範囲を規制する規制部材を有することがよい。かかる構成により、片立脚状態となったときに背部フレームの重心が立脚側又は遊脚側に移動しても、下腿アームが足下アームに対して外側へ倒れることを防止できる。
【００１７】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記大腿アームを基準長さから並進方向に伸長可能とする第１の並進自由度機構とを有していることがよい。さらに、前記装着型動作支援装置において、前記第１の並進自由度機構は、回転１自由度を併有していてもよい。かかる構成により、装着者は装着型動作支援装置に補助されながら違和感なく脚を動かすことができる。
【００１８】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームが、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記下腿アームを基準長さから並進方向に伸長可能とする第２の並進自由度機構とを有していることがよい。かかる構成により、装着者は装着型動作支援装置に補助されながら違和感なく脚を動かすことができる。
【００１９】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは、前記装着者の足が載置される足裏プレートを有していることがよい。かかる構成により、装着型動作支援装置の荷重は足裏プレートに支持されて装着者に負荷されない。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、装着者の歩行時などに腰部フレームが水平から揺動したときに、この腰部フレームの揺動は背部フレームへ伝播しない。このように背部フレームの横揺れが抑制されるので、背部フレームを装着者の身体へ係留させている部分と身体との擦れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る装着型動作支援装置の概略正面図である。
【図２】装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図である。
【図３】装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。
【図４】（ａ）は股関節用アクチュエータの構成図であり、（ｂ）は膝関節用アクチュエータの構成図である。
【図５】第１の並進自由度機構の拡大側面図である。
【図６】第２の並進自由度機構の拡大側面図である。
【図７】腰部フレームと背部フレームの接続部を示す正面図である。
【図８】左右対称な四節リンク機構のバリエーションを説明する図である。
【図９】片立脚状態の装着型動作支援装置の概略正面図である。
【図１０】四節リンク機構の一例を示す図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。
【図１１】四節リンク機構の変形例を示す図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。
【図１２】腰部フレームと背部フレームの接続部の変形例を示す装着型動作支援装置の概略正面図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。
【図１３】背部フレームの変形例を示す装着型動作支援装置の概略正面図である。。
【図１４】従来の装着式動作補助装置の正面図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。
【図１５】従来の下肢外骨格装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る装着型動作支援装置１０は、高齢者、身体障害者および健常者を問わず人間の身体に装着されて、装着者の主に下肢部の筋力を補助又は代行することにより装着者の動作を支援するものである。図１に示すように、装着型動作支援装置１０は、装着具１１と、バックパック１２に収容されたバッテリ１３および制御器１４とを備えている。装着具１１は、装着者の腰（骨盤）周りに装着される腰部フレーム３０と、装着者の背部に装着される背部フレーム４０と、装着者の下肢部に装着される左右の下肢フレーム５０，５０とで概略構成されている。バックパック１２は、装着具１１の背部フレーム４０に着脱可能に積載されている。続いて、図１〜３を参照しつつ、装着具１１の構成について詳細に説明する。なお、以下では「左右方向」とは装着者の肩幅方向をいい、「前後方向」とは装着者の前後方向をいい、「矢状面」とは装着者の身体を左右対称に切る面とこれに平行な面をいい、「前額面」とは装着者の身体を前後に切る面であって矢状面に垂直な面をいう。
【００２４】
（腰部フレーム３０）
腰部フレーム３０は、装着者の腰（骨盤）の後側および左右両側を覆うことができるように、平面視で略Ｕ字形をなしている。具体的には、腰部フレーム３０は、左右方向に長尺であって装着者の腰（骨盤）の背側に位置する基部３１と、基部３１の左右両端から前方へ突出するサイド部３２，３２とを備えている。基部３１とサイド部３２，３２は、一体的に形成されるか、或いは、別体に形成されてボルトおよびナットなどの締結具により締結されており、腰部フレーム３０は一体として挙動する。なお、本実施の形態に係る腰部フレーム３０は締結された複数の部材（基部３１，サイド部３２，３２）で構成されており、その締結位置が調整可能である。そして、基部３１とサイド部３２との締結位置を適宜調整することによって腰部フレーム３０の有効寸法を装着者の体格に適合させるように調節することができる。腰部フレーム３０は、装着者の腰周りへ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）を備えており、腰部フレーム３０は装着者の腰に係留される。
【００２５】
（下肢フレーム５０）
左右の下肢フレーム５０，５０はほぼ同一の構成であって、腰部フレーム３０の左右中央を対称軸として左右線対称に設けられている。よって、一方（左側）の下肢フレーム５０の構造についてのみ詳細に説明する。下肢フレーム５０は、大腿アーム５１と、下腿アーム５２および足下アーム５３を備えている。大腿アーム５１は装着者の大腿部に係留され、下腿アーム５２は装着者の下腿部に係留され、足下アーム５３は装着者の足首から下部に係留される。各アームは装着者の身体へ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）を備えている。
【００２６】
大腿アーム５１は、股関節用アクチュエータ６１および股関節用ジョイント６２を介して腰部フレーム３０のサイド部３２の前端部に接続されている。腰部フレーム３０のサイド部３２の前端部は、装着者の大腿骨の上端側方に位置するように調節されている。股関節用アクチュエータ６１は、腰部フレーム３０のサイド部３２の前端部から外方へ突出するように設けられている。図４（ａ）にも示すように、股関節用アクチュエータ６１は、腰部フレーム３０に固定されたギアケース６１１と、第１モータ６１２と、ギアケース６１１内に設けられた軸受に前額面と略平行に支承された第１伝動軸６１３と、第１伝動軸６１３に設けられた第１減速ギア６１５とを備えている。第１減速ギア６１５は、モータ６１２の出力ギア６１４と噛合している。第１伝動軸６１３は、股関節用ジョイント６２の構成要素である第１継手６２１に固定されている。また、股関節用ジョイント６２は、第１継手６２１と、大腿アーム５１の上部と接続された第２継手６２２と、第１継手６２１と第２継手６２２とを前額面上で回動可能に連結する枢軸６２３とを備えている。なお、「前額面上で回動する」とは、前額面と垂直な軸を中心として、前額面との平行を維持した状態で回動することをいう。上記構成により、第１モータ６１２の出力は出力ギア６１４と第１減速ギア６１５とを介して第１伝動軸６１３へ伝動され、第１伝動軸６１３の回動により腰部フレーム３０に対して第１継手６２１が矢状面上で回動する。なお、「矢状面上で回動する」とは、矢状面と垂直な軸を中心として、矢状面との平行を維持した状態で回動することをいう。
【００２７】
大腿アーム５１は、複数の軸状部材又は長尺平板状部材からなり、これらの部材は長軸方向に連結されている。大腿アーム５１を構成している各部材の接合位置は可変であって、これらの接合位置を適宜選択することにより大腿アーム５１の長さ（長軸方向の寸法）が装着者の大腿部の長さに適合するように調整されている。このように調整された大腿アーム５１の長さを「大腿アームの基準長さ」ということとする。大腿アームの基準長さは、大腿アーム５１の最小長さでもある。
【００２８】
大腿アーム５１は、大腿アーム５１を基準長さから１−３０ｍｍだけ並進方向（長軸方向）へ伸長可能とする、第１の並進自由度機構５５を備えている。図５は第１の並進自由度機構の概略図である。図５に示すように、大腿アーム５１と股関節用ジョイント６２の第２継手６２２との接続部において、大腿アーム５１と第２継手６２２のうち一方に並進方向に延びる接続ピン５５ａが設けられ、他方に接続ピン５５ａが摺動可能に挿入される接続孔５５ｂが設けられている。これらの接続ピン５５ａと接続孔５５ｂとにより第１の並進自由度機構５５が構成されている。接続ピン５５ａと大腿アーム５１とは滑り対偶であって、接続ピン５５ａと接続孔５５ｂとの間に滑りが生じることにより大腿アーム５１が並進方向へ伸長する。さらに、接続ピン５５ａは接続孔５５ｂ内で半径方向（接続ピン５５ａの軸回り）に回動可能であって、これにより大腿アーム５１に回旋自由度（軸回りの回転１自由度）が与えられている。本実施形態では、第２継手６２２の下端に接続ピン５５ａが下向きに突設され、大腿アーム５１の上端部に並進方向に延びる接続孔５５ｂが設けられている。接続ピン５５ａは、接続孔５５ｂよりも長く、接続ピン５５ａの下端は接続孔５５ｂから下方へ突き抜けている。接続ピン５５ａの下端には接続孔５５ｂよりも大径の鍔部５５ｃが設けられており、鍔部５５ｃは接続ピン５５ａの接続孔５５ｂからの抜け留めとして機能している。接続孔５５ｂの開口縁と鍔部５５ｃは並進方向に離間しており、接続ピン５５ａの接続孔５５ｂの開口縁と鍔部５５ｃの間に付勢部材５５ｄとしての圧縮バネが外嵌されている。上記構成において、大腿アーム５１の並進方向への伸長代Ｌ１は、第２継手６２２の下端と大腿アーム５１の上端との間に現れる接続ピン５５ａの長さである。伸長代Ｌ１は、第２継手６２２の下端と大腿アーム５１の上端が当接しているときに０であって、付勢部材５５ｄは伸長代Ｌ１が０となるように接続ピン５５ａを付勢している。そして、大腿アーム５１に引張荷重がかかったときに、付勢部材５５ｄの付勢力に抗して接続ピン５５ａが接続孔５５ｂ内を移動することによって伸長代Ｌ１が増大する。なお、伸長代Ｌ１は１−３０ｍｍの範囲で許容されるように、第１の並進自由度機構５５の構成要素の寸法が定められている。
【００２９】
下腿アーム５２は、膝関節用アクチュエータ６３を介して大腿アーム５１の下部に接続されている。図４（ｂ）にも示すように、膝関節用アクチュエータ６３は、下腿アーム５２の上部に固定されたギアケース６３２と、ギアケース６３２内に設けられた軸受に前額面と略平行に支承された第２伝動軸６３１と、第２伝動軸６３１に設けられた第２減速ギア６３５と、第２モータ６３３と、第２モータ６３３の出力軸に設けられた出力ギア６３４とを備えている。出力ギア６３４と第２減速ギア６３５は噛合している。第２伝動軸６３１は、大腿アーム５１の下端部に固定されている。上記構成により、第２モータ６３３の出力は出力ギア６３４と第２ギア６３５を介して第２伝動軸６３１へ伝動され、第２伝動軸６３１の回動により大腿アーム５１に対して下腿アーム５２が矢状面上で回動する。
【００３０】
下腿アーム５２は、ボルトおよびナット等の締結具で締結された複数の複数の軸状部材又は長尺平板状部材で構成されている。これらの部材の締結位置は可変であって、この締結位置を適宜選択することにより下腿アーム５２の長さ（長軸方向の寸法）が装着者の下腿部の長さに適合するように調整されている。このように調整された下腿アーム５２の長さを「下腿アームの基準長さ」ということとする。下腿アームの基準長さは、下腿アーム５２の最小長さでもある。
【００３１】
下腿アーム５２は、下腿アーム５２を基準長さから１−３０ｍｍだけ並進方向（長軸方向）へ伸長可能とする、第２の並進自由度機構５７を備えている。図６は第２の並進自由度機構の概略図である。図６に示すように、下腿アーム５２の下端と、後述する足関節用ジョイント６４の第１継手６４１との接続部において、下腿アーム５２と第１継手６４１のうち一方に並進方向に延びる角柱部５７ａが設けられ、他方に角柱部５７ａが摺動可能に挿入される角筒部５７ｂが設けられている。これらの角柱部５７ａと角筒部５７ｂとにより第２の並進自由度機構５７が構成されている。角柱部５７ａと下腿アーム５２とは滑り対偶であって、角柱部５７ａが角筒部５７ｂ内を並進方向に滑ることにより、下腿アーム５２は並進方向に伸長する。本実施形態では、下腿アーム５２の下端部に角筒部５７ｂが設けられ、第１継手６４１の上端部に角柱部５７ａが設けられている。さらに、角筒部５７ｂには、角柱部５７ａを角筒部５７ｂ内へ収容する方向へ付勢する付勢部材５７ｃとしての引張バネが設けられている。上記構成において、下腿アーム５２の並進方向への伸長代Ｌ２は、下腿アーム５２の下端と第１継手６４１の上端との間に現れる角柱部５７ａの長さである。伸長代Ｌ２は、下腿アーム５２の下端と第１継手６４１の上端が当接しているときに０であって、付勢部材５７ｃは伸長代Ｌ２が０となるように角柱部５７ａを付勢している。そして、下腿アーム５２に引張荷重がかかったときに、付勢部材５７ｃの付勢力に抗して角柱部５７ａが角筒部５７ｂ内を移動することによって、伸長代Ｌ２が増大する。なお、伸長代Ｌ２は１−３０ｍｍの範囲で許容されるように、第２の並進自由度機構５７の構成要素の寸法が定められている。
【００３２】
下腿アーム５２と足下アーム５３とは、足関節用ジョイント６４を介して接続されている。足関節用ジョイント６４は、下腿アーム５２の下端に接続された第１継手６４１と、第１継手６４１に対し前額面上で回動可能に枢結された第２継手６４２と、第２継手６４２に対し矢状面上で回動可能に枢結された第３継手６４３とを備えている。第３継手６４３の下部には、足下アーム５３を構成する足裏プレート５３１が接続されている。足裏プレート５３１は、少なくとも装着者の踵を覆う一体的な形状を有している。
【００３３】
上記構成の左右一対の下肢フレーム５０と腰部フレーム３０は、総じて４の前額面上の回転自由度と、総じて４以上（本実施例では６）の矢状面上の回転自由度とを有している。前額面上の回転自由度は、腰部フレーム３０と大腿アーム５１の接続部および下腿アーム５２と足下アーム５３の接続部にそれぞれ設けられている。また、矢状面上の回転自由度は、腰部フレーム３０と大腿アーム５１の接続部、大腿アーム５１と下腿アーム５２の接続部、および下腿アーム５２と足下アーム５３の接続部にそれぞれ設けられている。上記のように腰部フレーム３０と左右一対の下肢フレーム５０，５０に動きの自由度を設定することによって、装着具１１は装着者にとって違和感の少ない下肢の動きを提供することができる。
【００３４】
（背部フレーム４０）
背部フレーム４０は、いわゆる背負子である。背部フレーム４０は、装着者の肩や胸に係留させるための脇ベルト、肩紐およびフックなどの係止具４４を備えている。背部フレーム４０には、バックパック１２が積載される。バックパック１２に格納されたバッテリ１３は、股関節用アクチュエータ６１、膝関節用アクチュエータ６３、および制御器１４へ電気を供給する。また、バックパック１２に格納された制御器１４は、装着具１１の各部に設けたセンサ（図示略）からの検出信号を受けて、装着具１１が装着者の動作を補助又は代行するように股関節用アクチュエータ６１および膝関節用アクチュエータ６３を制御する。なお、上記センサは、部材の重心の変化量や部材に加わる負荷量などの物理量を検出するセンサであるが、これらに代えて又はこれらに加えて装着者の生体信号を検出する生体信号センサを用いても良い。生体信号センサを用いれば、装着者の意思に従った動力をアクチュエータ６１，６３に発生させることができる。
【００３５】
背部フレーム４０と腰部フレーム３０とを接続している接続部７０は、前額面上の１自由度の回転機構で構成されている。ここで「前額面上の１自由度の回転機構」とは、腰部フレーム３０と背部フレーム１２１のうち一方の入力動作に対し他方に前額面上の１自由度の回転動作を出力させる機構をいう。図７は腰部フレームと背部フレームの接続部を示す正面図である。図７に示すように、背部フレーム４０の下部には上リンク７１が設けられている。上リンク７１は略水平方向に延びる部材であって、上リンク７１の左右中央Ｃ１は背部フレーム４０の左右中央と一致している。上リンク７１には、上リンク７１の左右中央Ｃ１を対称軸として左右対称に複数の接合孔７１ａが設けられている。一方、腰部フレーム３０の基部３１に下リンク７２が設けられている。本実施形態に係る腰部フレーム３０では、基部３１の一部が下リンク７２として機能している。なお、腰部フレーム３０の基部３１に下リンク７２としての機能を併有させてもよいし、下リンク７２を基部３１とは別途設けてもよい。下リンク７２は基部３１と略平行であって、下リンク７２の左右中央Ｃ２は腰部フレーム３０の左右中央と一致している。下リンク７２には、下リンク７２の左右中央Ｃ２を対称軸として左右対称に複数の接合孔７２ａが設けられている。そして、上リンク７１の１つの接合孔７１ａと右リンク７３の上部とが接合ピン７５によって回動可能に接合され、下リンク７２の１つの接合孔７２ａと右リンク７３の下部とが接合ピン７５によって回動可能に接合されている。同様に、上リンク７１の１つの接合孔７１ａと左リンク７４の上部とが接合ピン７５によって回動可能に接合され、下リンク７２の１つの接合孔７２ａと左リンク７４の下部とが接合ピン７５によって回動可能に接合されている。上リンク７１への右リンク７３と左リンク７４の接合位置は、上リンク７１の左右中央Ｃ１を対称軸として左右対称となっている。同様に、下リンク７２への右リンク７３と左リンク７４の接合位置は、下リンク７２の左右中央Ｃ２を対称軸として左右対称となっている。上記構成の上リンク７１、下リンク７２、右リンク７３および左リンク７４により、下リンク７２の左右中央Ｃ２を対称軸として左右線対称の平面四節リンク機構が形成されている。
【００３６】
図８は左右対称な四節リンク機構のバリエーションを説明する図である。上記左右対称な平面四節リンク機構は、４つの節（接合ピン７５，７５，７５，７５）を順に線で結んだ形状が、図８（ａ）に示すような上辺が下辺よりも長い上下逆の等脚台形（以下、「上下逆台形」ともいう）をなすもの、図８（ｂ）に示すような上辺と下辺が同じ長さの等脚台形をなすもの、および図８（ｃ）に示すような上辺が可変よりも短い等脚台形をなすものがある。上記３種類の左右対称な四節リンク機構のうち、いずれが採用されてもかまわないが、四節が上下逆台形をなす四節リンク機構が採用されることが望ましい。四節が上下逆台形をなす四節リンク機構では、左右のリンク７３，７４は上下逆「八」の字又は間の離れた「Ｖ」字形状をなしている。
【００３７】
続いて、上記構成の装着型動作支援装置１０を身体に装着した装着者が歩行したときの、装着具１１の状態を説明する。図１は装着型動作支援装置１０の両立脚状態を示しており、図９は装着型動作支援装置１０の片立脚状体を示している。両立脚状態とは、装着者が直立し、両方の足裏プレート５３１が接地している状態をいい、片立脚状態とは、装着者の片足が地面から離れ、一方の足裏プレート５３１が接地し且つ他方の足裏プレートが浮いている状態をいう。図１に示すように、両立脚状態において、装着具１１は腰部フレーム３０の左右中央Ｃ２を対称軸として左右線対称な状態にある。したがって、腰部フレーム３０に設けられた下リンク７２（すなわち、基部３１）および背部フレーム４０に設けられた上リンク７１は略水平である。両立脚状態において、装着具１１および背部フレーム４０に積載されたバックパック１２の荷重は足裏プレート５３１，５３１で支持され、これらの荷重は装着者に負荷されない。
【００３８】
そして、両立脚状態から、一方の下肢フレーム５０において股関節用アクチュエータ６１の作動により腰部フレーム３０に対し大腿アーム５１が矢状面上で前方へ回転し、膝関節用アクチュエータ６３の作動により大腿アーム５１に対し下腿アーム５２が矢状面上で後方へ回転すると、図９に示すように、一方の下肢フレーム５０の足裏プレート５３１が地面から離れて膝関節が前へ上がった状態（片立脚状態）となる。両立脚状態から片立脚状態へ移行する際に、一方の下肢フレーム５０が立脚（接地している脚）から遊脚（接地していない脚）へ移行する。下肢フレーム５０が立脚から遊脚へ移行するときに、第１の並進自由度機構５５により大腿アーム５１が基準長さから並進方向へ伸長することにより、装着者は違和感なく脚を動かすことができる。また、下肢フレーム５０が遊脚から立脚へ移行するときや昇降するときなどに、第２の並進自由度機構５７により下腿アーム５２が装着者の下肢の動きに追従して基準長さから並進方向へ伸長することにより、装着者は違和感なく脚を動かすことができる。
【００３９】
装着者の歩行時に、装着者の骨盤が前額面上で揺動することから、腰部フレーム３０も前額面上で揺動する。片立脚状態において、装着者の骨盤は水平から傾き、その結果、腰部フレーム３０に設けられた下リンク７２（すなわち、基部３１）は、立脚側が高く且つ遊脚側が低くなるように傾いている。下リンク７２が傾くと、接続部７０では、右リンク７３および左リンク７４の傾きが変化することによって上リンク７１の略水平が維持される。このように、背部フレーム４０と腰部フレーム３０とが前額面上の１自由度の回転機構で接続されることによれば、装着者の歩行時に腰部フレーム３０が前額面上で揺動しても、この揺動は背部フレーム４０へ伝播しない。つまり、背部フレーム４０の横揺れが抑制されて、背部フレーム４０を装着者に係留している係止具４４と装着者の身体との擦れを防止することができる。
【００４０】
なお、接続部７０を構成している四節リンク機構の四節を順に線で結んだ形状が上下逆台形であれば、片立脚状態において下リンク７２が傾くと、上リンク７１の左右中央Ｃ１は下リンク７２の左右中央Ｃ２から立脚側へ移動する。上リンク７１の左右中央Ｃ１の延長線上には背部フレーム４０の重心が位置することから、上リンク７１の左右中央Ｃ１が立脚側へ移動することは、背部フレーム４０の重心が立脚側へ移動することと同義となる。このように、片立脚状態において背部フレーム４０の重心が立脚側へ移動することによれば、背部フレーム４０およびこれに積載されたバックパック１２の重量は立脚側の下肢フレーム５０で支持されるので、装着者に負荷されない。上記理由から、接続部７０を構成している四節リンク機構は四節を順に線で結んだ形状が上下逆台形であることが望ましい。
【００４１】
なお、上記のように片立脚状態において背部フレーム４０の重心が立脚側へ移動すると、立脚側の下肢フレーム５０は外側へやや撓んだ状態となる。そこで、このように下肢フレーム５０が外側に撓んだ状態となっても下肢フレーム５０が外側へ転倒しないようにするために、図２に示すように、足関節用ジョイント６４には第２継手６４２に対する第１継手６４１の前額面上の外側への回動範囲を規制するストッパ６４６（規制部材）が設けられている。足関節用ジョイント６４の第２継手６４２に対する第１継手６４１の前額面上の外側への回動範囲が規制されることにより、足裏プレート５３１に対して下腿アーム５２が外側へ倒れることを防止できる。
【００４２】
また、片立脚状態において、前述の通り上リンク７１の左右中央Ｃ１は下リンク７２の左右中央Ｃ２から水平方向に変位している。上リンク７１の左右中央Ｃ１と下リンク７２の左右中央Ｃ２との水平方向の変位量を「左右中央変位量ΔＣ」ということとする。左右中央変位量ΔＣが適正範囲内であれば、上記の通り腰部フレーム３０が水平から傾いても上リンク７１の水平が維持されるとともに、装着具１１およびバックパック１２の荷重は装着者に負荷されない。ところが、左右中央変位量ΔＣが過剰となれば、すなわち、背部フレーム４０の重心の下リンク７２の左右中央Ｃ２からの乖離量が過剰となれば、背部フレーム４０の重心が過度に立脚側へ移動してバランスが崩れてしまい、装着者はバランスを保つために余計な筋力活動が必要となってしまう。そこで、腰部フレーム３０と背部フレーム４０との接続部７０では、左右中央変位量ΔＣが適正範囲内となるように調整されている。具体的には、歩行時の人間の骨盤は前額面上で水平から最大で５−８度揺動することが知られている。腰部フレーム３０が水平から骨盤の最大の揺動角度（ここでは５度とする）傾いたときに、左右中央変位量ΔＣの最大値が適正範囲上限値以下となるように接続部７０が調整されている。参考までに、「ヒューマンウォーキング原著第３版」（著者；Jessica Rose，James G．Gamble ed． 出版社；医師役出版株式会社）によれば、一般的な成人男性の歩行において、前額面に描かれる質量中心の動きは少し歪んだ横向きの８の字状となり、前額面に描かれる骨盤の変位も少し歪んだ横向きの８の字状となる。この文献に示された一例では、骨盤が水平から約５度傾いたときの質量中心の左右方向の変位は約２５ｍｍである。この例に従えば、左右中央変位量ΔＣの適正範囲は左右に０−２５ｍｍであって、この適正範囲を超えると腰部フレーム３０に対する背部フレーム４０の左右方向の変位が身体の動きから大きく乖離するので、装着者に負荷を与えてしまうこととなる。なお、骨盤の揺動角度に対する質量中心の左右方向の変位は、歩幅、歩行速度、歩行者の体格などによって異なるので、左右中央変位量ΔＣの適正範囲も歩幅、歩行速度、歩行者の体格などによって異なる。
【００４３】
左右中央変位量ΔＣの最大値は、接続部７０を構成している四節リンク機構の形状によって定まる。図１０は四節リンク機構の一例を示す図であり、図１１は四節リンク機構の変形例を示す図である。図１０（ａ）と図１１（ａ）に示された四節リンク機構は、いずれも同じ長さの右リンク７３および左リンク７４を有するが、上辺（上リンク７１の接合ピン７５，７５間）と下辺（下リンク７２の接合ピン７５，７５間）の長さが異なり、上辺および下辺ともに図１０（ａ）に示された四節リンク機構のほうが長い。図１０（ｂ）と図１１（ｂ）では、図１０（ａ）と図１１（ａ）に示された四節リンク機構の各下リンク７２を同じ角度（ここでは８度）だけ水平から傾けたときの状態が示されている。図１０（ｂ）と図１１（ｂ）を比較すると明らかなように、上辺および下辺の長さがより長い四節リンク機構（図１０）の方が左右中央変位量ΔＣが大きい。このように、四節リンク機構は上辺および下辺の長さに応じて左右中央変位量ΔＣの最大値が異なる。本実施形態に係る接続部７０では、上リンク７１と下リンク７２はそれぞれに複数の接合孔７１ａ，７２ａを有するので、四節リンク機構の上辺（上リンク７１の接合ピン７５，７５間）と下辺（下リンク７２の接合ピン７５，７５間）の長さが可変である。そして、上リンク７１の複数の接合孔７１ａと下リンク７２の複数の接合孔７２ａのなかから最適な組み合わせを選択することにより、左右中央変位量ΔＣを適正範囲上限値以下に収めることができる。なお、本実施形態に係る接続部７０では、上リンク７１および下リンク７２のそれぞれに複数の接合孔７１ａ，７２ａを設けているが、上リンク７１および下リンク７２のうち少なくとも一方において右リンク７３および左リンク７４の接合位置が左右方向に可変であればよい。かかる構成により、四節リンク機構の上辺（上リンク７１の接合ピン７５，７５間）と下辺（下リンク７２の接合ピン７５，７５間）のうち少なくとも一方の長さが可変となる。そして、四節リンク機構の上辺および下辺のうち少なくとも一方の長さを変化させることで、四節リンク機構の大きさを装着者の体格に合わせたり、下リンクが揺動したときの左右中央変位量ΔＣの最大値を調整したりすることができる。
【００４４】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
【００４５】
例えば、上記実施の形態において背部フレーム４０と腰部フレーム３０との接続部７０は四節リンク機構で構成されているが、接続部７０の構成は上記に限定されない。接続部７０は、背部フレーム４０と腰部フレーム３０とを接続する前額面上の１自由度の回転機構であればよい。例えば、上記実施の形態に記載された接続部７０に加え、補助的な部材を付加してもよい。また、例えば、四節リンク機構を用いずに接続部７０を構成することもできる。図１２は腰部フレームと背部フレームの接続部の変形例を示す装着型動作支援装置の概略正面図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。図１２（ａ）に示す例では、腰部フレーム３０の左右中央上部に接合孔３４が穿設された突起部３５が腰部フレーム３０と一体的に設けられている。一方、背部フレーム４０の左右中央下部には接合孔４２が設けられている。そして、腰部フレーム３０の接合孔３４と、背部フレーム４０の接合孔４２と、これらの接合孔３４，４２に挿通され且つ前額面と垂直に延びる軸４３とにより接続部７０が構成されている。かかる構成により、腰部フレーム３０と背部フレーム４０とは前額面上の１自由度を有する回転対偶となっている。よって、図１２（ｂ）に示すように、装着者の歩行時に腰部フレーム３０が前額面上で水平から揺動しても、腰部フレーム３０に対し背部フレーム４０が回動することで、腰部フレーム３０の揺動は背部フレーム４０へ伝播しない。つまり、背部フレーム４０の振れが抑制されて、背部フレーム４０を装着者に係留している係止具４４と装着者の身体との擦れを防止することができる。
【００４６】
また、例えば、上記実施の形態において装着型動作支援装置１０は背部フレーム４０を備え、当該背部フレーム４０に荷（バックパック１２）を積載するようになっているが、背部フレーム４０を構成から省いてもよい。この場合は、図１３に示すように、バックパック１２の筐体そのものが背部フレーム４０としての機能を備えるように構成される。具体的には、装着者の背部に係留させるための肩紐やフックなどの係止具４４と、腰部フレーム３０と接続するための上リンク７１が、バックパック１２の筐体に設けられる。
【００４７】
また、例えば、上記実施の形態において、装着型動作支援装置１０の下肢フレーム５０は足裏プレート５３１を備え、この足裏プレート５３１で装着具１１およびバックパック１２の荷重を支持するように構成されているが、足裏プレート５３１を構成から省いても良い。この場合の下肢フレーム５０、股関節用アクチュエータ６１、股関節用ジョイント６２、大腿アーム５１、膝関節用アクチュエータ６３および下腿アーム５２で構成される。なお、このような装着型動作支援装置１０では、装着具１１およびバックパック１２の荷重は装着者が負担することとなる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、使用者の下肢に装着されて、股関節や膝関節の屈伸を伴う歩行、走行、立つ、座る、および段の昇降などの使用者の下肢の動作を補助又は代行する装着型動作支援装置であって、装着者の肩又は脇に係留される背部フレーム（バックパック）を備えるものにおいて、背部フレームの振れを防止するために有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 装着型動作支援装置
１１ 装着具
１２ バックパック
１３ バッテリ
１４ 制御器
３０ 腰部フレーム
３１ 基部
３２ サイド部
４０ 背部フレーム
５０ 下肢フレーム
５１ 大腿アーム
５２ 下腿アーム
５３ 足下アーム
５３１ 足裏プレート
６１ 股関節用アクチュエータ
６２ 股関節用ジョイント
６３ 膝関節用アクチュエータ
６４ 足関節用ジョイント
７０ 接続部
７１ 上リンク
７２ 下リンク
７３ 右リンク
７４ 左リンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体に装着されて、人体の筋力を補助又は代行する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高齢者や身体障害者の身体に装着されて、筋力を補助又は代行することにより歩行や移乗（車椅子とベッド間の移動等）などの動作を支援する装着型動作支援装置が実用化されつつある。この技術は、健常者の重作業を補助する装着型動作支援装置の開発にも応用されている。装着型動作支援装置を長時間駆動させるためには、長寿命のバッテリが必要となる。このようなバッテリは、一般に大型且つ重量物である。そこで、バッテリや装着具を含む装置の荷重を装着者に負担させない構造を備えた装着型動作支援装置が特許文献１，２に記載されている。
【０００３】
特許文献１に示された装着式動作補助装置は、図１４（ａ）に示すように、アクチュエータを具備する装着具１０１と、装着者の生体信号を検出する生体信号センサ１０２と、装着者の生体信号に基づいてアクチュエータを操作させる制御装置１０３とを備えている。装着具１０１は、装着者の胴体に巻き付けられるウエスト部１０４と、ウエスト部１０４に上方から差し込まれたバックパック１０５と、装着者の脚部に固定される脚部１０６とを備えている。バックパック１０５には、バッテリや制御装置１０３が収容されている。脚部１０６は、ウエスト部１０４の下部に固定された股関節アクチュエータ１１１、大腿装具１１２、膝関節アクチュエータ１１３、下腿装具１１４および足フレーム１１５を備え、この順番で接続されている。上記構成の装着具１０１は、装着者の足を乗せる足フレーム１１５を有するので、バックパックおよび装着具の荷重は全て足フレームで支えられて装着者に負荷されない。
【０００４】
また、特許文献２では、下肢外骨格装置（lower extremity exoskeleton）が示されている。特許文献２のｆｉｇ．９に記載された下肢外骨格装置は、図１５に示すように、骨盤フレーム１２０と、骨盤フレーム１２０の上部に接続された背部フレーム１２１と、骨盤フレーム１２０の下部に接続された下肢フレーム１２３とを備えている。この下肢外骨格においても、下肢フレーム１２３に装着者の足を乗せる足フレーム１２４が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９５５６１号公報
【特許文献２】米国特許公開公報ＵＳ２００６／０２６０６２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
人間が歩行するときに、人間の骨盤は前額面上で水平から最大で５−８度揺動することが知られている。ここで、「前額面」とは人間の身体を前後に切る面をいい、「前額面上で揺動」とは前額面に垂直な軸を中心として前額面と平行に揺動することをいう。前額面は、冠状面または前頭面とも呼ばれる。特許文献１に記載された装着式動作補助装置では、図１４（ｂ）に示すように、装着者の骨盤の揺動に伴いウエスト部１０４が水平から揺動すると、ウエスト部１０４に取り付けられたバックパック１０５に揺動が伝播する。ウエスト部１０４では僅かな揺れであっても、ここから離れたバックパック１０５の上端部では揺れが拡大する。バックパック１０５が揺れると、バックパック１０５を装着者の身体（肩、胸又は脇）に係留させている部分が身体と擦れて装着者に不快感を与える。さらに、バックパック１０５は重量物であるので、装着者はバランスを保って歩行を安定化させるために余計な筋力活動を消費することとなる。
【０００７】
また、図１５に示すように、特許文献２に記載された下肢外骨格装置では、骨盤フレーム１２０が左右２部材に分割されるとともに１つの枢軸で連結されており、骨盤フレーム１２０は前額面上で回転２自由度を有している。背部フレーム１２１は、骨盤フレーム１２０を構成している２部材が枢結されている枢軸に枢支されている。このような構造においては、背部フレーム１２１に積載された荷が重くなると自重により背部フレーム１２１が下方へ沈み込もうとするので、背部フレーム１２１を装着者の身体に係留させている肩ベルトから、装着者の肩部へ負担がかかってしまう。
【０００８】
そこで、本発明では、腰部フレームと、腰部フレームの上部に接続された背部フレームと、腰部フレームの下部に接続された下肢フレームとを備えた装着型動作支援装置であって、装着者の歩行時に装着者の骨盤の揺動に起因する背部フレームの揺れを抑制し、背部フレームを身体に係留させている係止具と身体との擦れを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る装着型動作支援装置は、装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、前記装着者の左右方向に長尺な基部を有し、前記装着者の腰周りに装着される腰部フレームと、前記腰部フレームの下部に接続されて、前記装着者の下肢に装着される左右一対の下肢フレームと、前記腰部フレームの上部に接続されて、前記装着者の肩に係留させるための係止具を有する背部フレームと、前記背部フレームと前記腰部フレームの基部とを接続する前額面上の１自由度の回転機構とを備えているものである。ここで「前額面上の１自由度の回転機構」とは、腰部フレームと背部フレームのうち一方の入力動作に対し他方に前額面上の１自由度の回転動作を出力させる機構をいう。
【００１０】
前記装着型動作支援装置において、前記回転機構は、前記腰部フレームに設けられて前記基部と略平行な下リンクと、前記背部フレームに設けられた上リンクと、前記下リンクと前記上リンクのそれぞれに接合された左リンクおよび右リンクとから成り、前記腰部フレームの左右中央を対称軸として線対称な四節リンク機構とすることができる。
【００１１】
上記装着型動作支援装置によれば、装置を身体に装着した装着者が歩行したときに、装着者の骨盤の揺動に伴って腰部フレームが水平から揺動するが、この腰部フレームの揺動は背部フレームへ伝播しない。このように背部フレームの横揺れが抑制されるので、背部フレームを装着者の身体へ係留させている部分と身体との擦れを防止することができる。
【００１２】
前記装着型動作支援装置において、前記四節リンク機構は、四節を順に線で結んだ形状が上下逆台形であることがよい。なお、上記四節リンク機構において、四節は各リンクの接合部に相当する。また、ここで「上下逆台形」とは、上辺が下辺より長く、左辺と右辺の長さが等しい台形をいう。上記構成によれば、片立脚状態にあるときに、腰部フレームの傾きに伴って立脚側へ背部フレームの重心が移動し、装置の荷重は立脚側の下肢フレームに掛かることとなる。
【００１３】
前記装着型動作支援装置において、前記下リンクおよび前記上リンクのうち少なくとも一方の前記右リンクおよび前記左リンクとの接合位置は前記左右方向に可変であることがよい。かかる構成により、四節リンク機構の上辺（上リンクの右リンクおよび左リンクの接合部間）と下辺（下リンクの右リンクおよび左リンクの接合部間）のうち少なくとも一方の長さが可変となる。そして、四節リンク機構の上辺および下辺のうち少なくとも一方の長さを変化させることで、四節リンク機構の大きさを装着者の体格に合わせたり、下リンクが揺動したときの下リンクに対する上リンクの左右中央の変位量の最大値を調整したりすることができる。
【００１４】
前記装着型動作支援装置において、前記回転機構は、前記腰部フレームの前記基部の左右略中央および前記背部フレームの左右略中央のそれぞれに設けられた接合孔に挿通された前額面に垂直な軸で構成されていてもよい。係る構成により、腰部フレームと背部フレームとは前額面上で回転１自由度を有する対偶となる。
【００１５】
前記装着型動作支援装置において、前記左右一対の下肢フレームおよび前記腰部フレームは、総じて４の前額面上の回転自由度と総じて４以上の矢状面上の回転自由度とを有することがよい。このような装着型動作支援装置において、例えば、前記左右一対の下肢フレームは、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記装着者の足部に装着される足下アームとを各々に有し、前記大腿アームと前記下腿アームは矢状面上で回動可能に接続され、前記腰部フレームと前記大腿アームおよび前記下腿アームと前記足下アームは矢状面上および前額面上で回動可能に接続されている。
【００１６】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは、前記足下アームに対する前記下腿アームの前額面上の回動範囲を規制する規制部材を有することがよい。かかる構成により、片立脚状態となったときに背部フレームの重心が立脚側又は遊脚側に移動しても、下腿アームが足下アームに対して外側へ倒れることを防止できる。
【００１７】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記大腿アームを基準長さから並進方向に伸長可能とする第１の並進自由度機構とを有していることがよい。さらに、前記装着型動作支援装置において、前記第１の並進自由度機構は、回転１自由度を併有していてもよい。かかる構成により、装着者は装着型動作支援装置に補助されながら違和感なく脚を動かすことができる。
【００１８】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームが、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記下腿アームを基準長さから並進方向に伸長可能とする第２の並進自由度機構とを有していることがよい。かかる構成により、装着者は装着型動作支援装置に補助されながら違和感なく脚を動かすことができる。
【００１９】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは、前記装着者の足が載置される足裏プレートを有していることがよい。かかる構成により、装着型動作支援装置の荷重は足裏プレートに支持されて装着者に負荷されない。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、装着者の歩行時などに腰部フレームが水平から揺動したときに、この腰部フレームの揺動は背部フレームへ伝播しない。このように背部フレームの横揺れが抑制されるので、背部フレームを装着者の身体へ係留させている部分と身体との擦れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る装着型動作支援装置の概略正面図である。
【図２】装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図である。
【図３】装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。
【図４】（ａ）は股関節用アクチュエータの構成図であり、（ｂ）は膝関節用アクチュエータの構成図である。
【図５】第１の並進自由度機構の拡大側面図である。
【図６】第２の並進自由度機構の拡大側面図である。
【図７】腰部フレームと背部フレームの接続部を示す正面図である。
【図８】左右対称な四節リンク機構のバリエーションを説明する図である。
【図９】片立脚状態の装着型動作支援装置の概略正面図である。
【図１０】四節リンク機構の一例を示す図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。
【図１１】四節リンク機構の変形例を示す図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。
【図１２】腰部フレームと背部フレームの接続部の変形例を示す装着型動作支援装置の概略正面図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。
【図１３】背部フレームの変形例を示す装着型動作支援装置の概略正面図である。。
【図１４】従来の装着式動作補助装置の正面図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。
【図１５】従来の下肢外骨格装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る装着型動作支援装置１０は、高齢者、身体障害者および健常者を問わず人間の身体に装着されて、装着者の主に下肢部の筋力を補助又は代行することにより装着者の動作を支援するものである。図１に示すように、装着型動作支援装置１０は、装着具１１と、バックパック１２に収容されたバッテリ１３および制御器１４とを備えている。装着具１１は、装着者の腰（骨盤）周りに装着される腰部フレーム３０と、装着者の背部に装着される背部フレーム４０と、装着者の下肢部に装着される左右の下肢フレーム５０，５０とで概略構成されている。バックパック１２は、装着具１１の背部フレーム４０に着脱可能に積載されている。続いて、図１〜３を参照しつつ、装着具１１の構成について詳細に説明する。なお、以下では「左右方向」とは装着者の肩幅方向をいい、「前後方向」とは装着者の前後方向をいい、「矢状面」とは装着者の身体を左右対称に切る面とこれに平行な面をいい、「前額面」とは装着者の身体を前後に切る面であって矢状面に垂直な面をいう。
【００２４】
（腰部フレーム３０）
腰部フレーム３０は、装着者の腰（骨盤）の後側および左右両側を覆うことができるように、平面視で略Ｕ字形をなしている。具体的には、腰部フレーム３０は、左右方向に長尺であって装着者の腰（骨盤）の背側に位置する基部３１と、基部３１の左右両端から前方へ突出するサイド部３２，３２とを備えている。基部３１とサイド部３２，３２は、一体的に形成されるか、或いは、別体に形成されてボルトおよびナットなどの締結具により締結されており、腰部フレーム３０は一体として挙動する。なお、本実施の形態に係る腰部フレーム３０は締結された複数の部材（基部３１，サイド部３２，３２）で構成されており、その締結位置が調整可能である。そして、基部３１とサイド部３２との締結位置を適宜調整することによって腰部フレーム３０の有効寸法を装着者の体格に適合させるように調節することができる。腰部フレーム３０は、装着者の腰周りへ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）を備えており、腰部フレーム３０は装着者の腰に係留される。
【００２５】
（下肢フレーム５０）
左右の下肢フレーム５０，５０はほぼ同一の構成であって、腰部フレーム３０の左右中央を対称軸として左右線対称に設けられている。よって、一方（左側）の下肢フレーム５０の構造についてのみ詳細に説明する。下肢フレーム５０は、大腿アーム５１と、下腿アーム５２および足下アーム５３を備えている。大腿アーム５１は装着者の大腿部に係留され、下腿アーム５２は装着者の下腿部に係留され、足下アーム５３は装着者の足首から下部に係留される。各アームは装着者の身体へ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）を備えている。
【００２６】
大腿アーム５１は、股関節用アクチュエータ６１および股関節用ジョイント６２を介して腰部フレーム３０のサイド部３２の前端部に接続されている。腰部フレーム３０のサイド部３２の前端部は、装着者の大腿骨の上端側方に位置するように調節されている。股関節用アクチュエータ６１は、腰部フレーム３０のサイド部３２の前端部から外方へ突出するように設けられている。図４（ａ）にも示すように、股関節用アクチュエータ６１は、腰部フレーム３０に固定されたギアケース６１１と、第１モータ６１２と、ギアケース６１１内に設けられた軸受に前額面と略平行に支承された第１伝動軸６１３と、第１伝動軸６１３に設けられた第１減速ギア６１５とを備えている。第１減速ギア６１５は、モータ６１２の出力ギア６１４と噛合している。第１伝動軸６１３は、股関節用ジョイント６２の構成要素である第１継手６２１に固定されている。また、股関節用ジョイント６２は、第１継手６２１と、大腿アーム５１の上部と接続された第２継手６２２と、第１継手６２１と第２継手６２２とを前額面上で回動可能に連結する枢軸６２３とを備えている。なお、「前額面上で回動する」とは、前額面と垂直な軸を中心として、前額面との平行を維持した状態で回動することをいう。上記構成により、第１モータ６１２の出力は出力ギア６１４と第１減速ギア６１５とを介して第１伝動軸６１３へ伝動され、第１伝動軸６１３の回動により腰部フレーム３０に対して第１継手６２１が矢状面上で回動する。なお、「矢状面上で回動する」とは、矢状面と垂直な軸を中心として、矢状面との平行を維持した状態で回動することをいう。
【００２７】
大腿アーム５１は、複数の軸状部材又は長尺平板状部材からなり、これらの部材は長軸方向に連結されている。大腿アーム５１を構成している各部材の接合位置は可変であって、これらの接合位置を適宜選択することにより大腿アーム５１の長さ（長軸方向の寸法）が装着者の大腿部の長さに適合するように調整されている。このように調整された大腿アーム５１の長さを「大腿アームの基準長さ」ということとする。大腿アームの基準長さは、大腿アーム５１の最小長さでもある。
【００２８】
大腿アーム５１は、大腿アーム５１を基準長さから１−３０ｍｍだけ並進方向（長軸方向）へ伸長可能とする、第１の並進自由度機構５５を備えている。図５は第１の並進自由度機構の概略図である。図５に示すように、大腿アーム５１と股関節用ジョイント６２の第２継手６２２との接続部において、大腿アーム５１と第２継手６２２のうち一方に並進方向に延びる接続ピン５５ａが設けられ、他方に接続ピン５５ａが摺動可能に挿入される接続孔５５ｂが設けられている。これらの接続ピン５５ａと接続孔５５ｂとにより第１の並進自由度機構５５が構成されている。接続ピン５５ａと大腿アーム５１とは滑り対偶であって、接続ピン５５ａと接続孔５５ｂとの間に滑りが生じることにより大腿アーム５１が並進方向へ伸長する。さらに、接続ピン５５ａは接続孔５５ｂ内で半径方向（接続ピン５５ａの軸回り）に回動可能であって、これにより大腿アーム５１に回旋自由度（軸回りの回転１自由度）が与えられている。本実施形態では、第２継手６２２の下端に接続ピン５５ａが下向きに突設され、大腿アーム５１の上端部に並進方向に延びる接続孔５５ｂが設けられている。接続ピン５５ａは、接続孔５５ｂよりも長く、接続ピン５５ａの下端は接続孔５５ｂから下方へ突き抜けている。接続ピン５５ａの下端には接続孔５５ｂよりも大径の鍔部５５ｃが設けられており、鍔部５５ｃは接続ピン５５ａの接続孔５５ｂからの抜け留めとして機能している。接続孔５５ｂの開口縁と鍔部５５ｃは並進方向に離間しており、接続ピン５５ａの接続孔５５ｂの開口縁と鍔部５５ｃの間に付勢部材５５ｄとしての圧縮バネが外嵌されている。上記構成において、大腿アーム５１の並進方向への伸長代Ｌ１は、第２継手６２２の下端と大腿アーム５１の上端との間に現れる接続ピン５５ａの長さである。伸長代Ｌ１は、第２継手６２２の下端と大腿アーム５１の上端が当接しているときに０であって、付勢部材５５ｄは伸長代Ｌ１が０となるように接続ピン５５ａを付勢している。そして、大腿アーム５１に引張荷重がかかったときに、付勢部材５５ｄの付勢力に抗して接続ピン５５ａが接続孔５５ｂ内を移動することによって伸長代Ｌ１が増大する。なお、伸長代Ｌ１は１−３０ｍｍの範囲で許容されるように、第１の並進自由度機構５５の構成要素の寸法が定められている。
【００２９】
下腿アーム５２は、膝関節用アクチュエータ６３を介して大腿アーム５１の下部に接続されている。図４（ｂ）にも示すように、膝関節用アクチュエータ６３は、下腿アーム５２の上部に固定されたギアケース６３２と、ギアケース６３２内に設けられた軸受に前額面と略平行に支承された第２伝動軸６３１と、第２伝動軸６３１に設けられた第２減速ギア６３５と、第２モータ６３３と、第２モータ６３３の出力軸に設けられた出力ギア６３４とを備えている。出力ギア６３４と第２減速ギア６３５は噛合している。第２伝動軸６３１は、大腿アーム５１の下端部に固定されている。上記構成により、第２モータ６３３の出力は出力ギア６３４と第２ギア６３５を介して第２伝動軸６３１へ伝動され、第２伝動軸６３１の回動により大腿アーム５１に対して下腿アーム５２が矢状面上で回動する。
【００３０】
下腿アーム５２は、ボルトおよびナット等の締結具で締結された複数の複数の軸状部材又は長尺平板状部材で構成されている。これらの部材の締結位置は可変であって、この締結位置を適宜選択することにより下腿アーム５２の長さ（長軸方向の寸法）が装着者の下腿部の長さに適合するように調整されている。このように調整された下腿アーム５２の長さを「下腿アームの基準長さ」ということとする。下腿アームの基準長さは、下腿アーム５２の最小長さでもある。
【００３１】
下腿アーム５２は、下腿アーム５２を基準長さから１−３０ｍｍだけ並進方向（長軸方向）へ伸長可能とする、第２の並進自由度機構５７を備えている。図６は第２の並進自由度機構の概略図である。図６に示すように、下腿アーム５２の下端と、後述する足関節用ジョイント６４の第１継手６４１との接続部において、下腿アーム５２と第１継手６４１のうち一方に並進方向に延びる角柱部５７ａが設けられ、他方に角柱部５７ａが摺動可能に挿入される角筒部５７ｂが設けられている。これらの角柱部５７ａと角筒部５７ｂとにより第２の並進自由度機構５７が構成されている。角柱部５７ａと下腿アーム５２とは滑り対偶であって、角柱部５７ａが角筒部５７ｂ内を並進方向に滑ることにより、下腿アーム５２は並進方向に伸長する。本実施形態では、下腿アーム５２の下端部に角筒部５７ｂが設けられ、第１継手６４１の上端部に角柱部５７ａが設けられている。さらに、角筒部５７ｂには、角柱部５７ａを角筒部５７ｂ内へ収容する方向へ付勢する付勢部材５７ｃとしての引張バネが設けられている。上記構成において、下腿アーム５２の並進方向への伸長代Ｌ２は、下腿アーム５２の下端と第１継手６４１の上端との間に現れる角柱部５７ａの長さである。伸長代Ｌ２は、下腿アーム５２の下端と第１継手６４１の上端が当接しているときに０であって、付勢部材５７ｃは伸長代Ｌ２が０となるように角柱部５７ａを付勢している。そして、下腿アーム５２に引張荷重がかかったときに、付勢部材５７ｃの付勢力に抗して角柱部５７ａが角筒部５７ｂ内を移動することによって、伸長代Ｌ２が増大する。なお、伸長代Ｌ２は１−３０ｍｍの範囲で許容されるように、第２の並進自由度機構５７の構成要素の寸法が定められている。
【００３２】
下腿アーム５２と足下アーム５３とは、足関節用ジョイント６４を介して接続されている。足関節用ジョイント６４は、下腿アーム５２の下端に接続された第１継手６４１と、第１継手６４１に対し前額面上で回動可能に枢結された第２継手６４２と、第２継手６４２に対し矢状面上で回動可能に枢結された第３継手６４３とを備えている。第３継手６４３の下部には、足下アーム５３を構成する足裏プレート５３１が接続されている。足裏プレート５３１は、少なくとも装着者の踵を覆う一体的な形状を有している。
【００３３】
上記構成の左右一対の下肢フレーム５０と腰部フレーム３０は、総じて４の前額面上の回転自由度と、総じて４以上（本実施例では６）の矢状面上の回転自由度とを有している。前額面上の回転自由度は、腰部フレーム３０と大腿アーム５１の接続部および下腿アーム５２と足下アーム５３の接続部にそれぞれ設けられている。また、矢状面上の回転自由度は、腰部フレーム３０と大腿アーム５１の接続部、大腿アーム５１と下腿アーム５２の接続部、および下腿アーム５２と足下アーム５３の接続部にそれぞれ設けられている。上記のように腰部フレーム３０と左右一対の下肢フレーム５０，５０に動きの自由度を設定することによって、装着具１１は装着者にとって違和感の少ない下肢の動きを提供することができる。
【００３４】
（背部フレーム４０）
背部フレーム４０は、いわゆる背負子である。背部フレーム４０は、装着者の肩や胸に係留させるための脇ベルト、肩紐およびフックなどの係止具４４を備えている。背部フレーム４０には、バックパック１２が積載される。バックパック１２に格納されたバッテリ１３は、股関節用アクチュエータ６１、膝関節用アクチュエータ６３、および制御器１４へ電気を供給する。また、バックパック１２に格納された制御器１４は、装着具１１の各部に設けたセンサ（図示略）からの検出信号を受けて、装着具１１が装着者の動作を補助又は代行するように股関節用アクチュエータ６１および膝関節用アクチュエータ６３を制御する。なお、上記センサは、部材の重心の変化量や部材に加わる負荷量などの物理量を検出するセンサであるが、これらに代えて又はこれらに加えて装着者の生体信号を検出する生体信号センサを用いても良い。生体信号センサを用いれば、装着者の意思に従った動力をアクチュエータ６１，６３に発生させることができる。
【００３５】
背部フレーム４０と腰部フレーム３０とを接続している接続部７０は、前額面上の１自由度の回転機構で構成されている。ここで「前額面上の１自由度の回転機構」とは、腰部フレーム３０と背部フレーム１２１のうち一方の入力動作に対し他方に前額面上の１自由度の回転動作を出力させる機構をいう。図７は腰部フレームと背部フレームの接続部を示す正面図である。図７に示すように、背部フレーム４０の下部には上リンク７１が設けられている。上リンク７１は略水平方向に延びる部材であって、上リンク７１の左右中央Ｃ１は背部フレーム４０の左右中央と一致している。上リンク７１には、上リンク７１の左右中央Ｃ１を対称軸として左右対称に複数の接合孔７１ａが設けられている。一方、腰部フレーム３０の基部３１に下リンク７２が設けられている。本実施形態に係る腰部フレーム３０では、基部３１の一部が下リンク７２として機能している。なお、腰部フレーム３０の基部３１に下リンク７２としての機能を併有させてもよいし、下リンク７２を基部３１とは別途設けてもよい。下リンク７２は基部３１と略平行であって、下リンク７２の左右中央Ｃ２は腰部フレーム３０の左右中央と一致している。下リンク７２には、下リンク７２の左右中央Ｃ２を対称軸として左右対称に複数の接合孔７２ａが設けられている。そして、上リンク７１の１つの接合孔７１ａと右リンク７３の上部とが接合ピン７５によって回動可能に接合され、下リンク７２の１つの接合孔７２ａと右リンク７３の下部とが接合ピン７５によって回動可能に接合されている。同様に、上リンク７１の１つの接合孔７１ａと左リンク７４の上部とが接合ピン７５によって回動可能に接合され、下リンク７２の１つの接合孔７２ａと左リンク７４の下部とが接合ピン７５によって回動可能に接合されている。上リンク７１への右リンク７３と左リンク７４の接合位置は、上リンク７１の左右中央Ｃ１を対称軸として左右対称となっている。同様に、下リンク７２への右リンク７３と左リンク７４の接合位置は、下リンク７２の左右中央Ｃ２を対称軸として左右対称となっている。上記構成の上リンク７１、下リンク７２、右リンク７３および左リンク７４により、下リンク７２の左右中央Ｃ２を対称軸として左右線対称の平面四節リンク機構が形成されている。
【００３６】
図８は左右対称な四節リンク機構のバリエーションを説明する図である。上記左右対称な平面四節リンク機構は、４つの節（接合ピン７５，７５，７５，７５）を順に線で結んだ形状が、図８（ａ）に示すような上辺が下辺よりも長い上下逆の等脚台形（以下、「上下逆台形」ともいう）をなすもの、図８（ｂ）に示すような上辺と下辺が同じ長さの等脚台形をなすもの、および図８（ｃ）に示すような上辺が可変よりも短い等脚台形をなすものがある。上記３種類の左右対称な四節リンク機構のうち、いずれが採用されてもかまわないが、四節が上下逆台形をなす四節リンク機構が採用されることが望ましい。四節が上下逆台形をなす四節リンク機構では、左右のリンク７３，７４は上下逆「八」の字又は間の離れた「Ｖ」字形状をなしている。
【００３７】
続いて、上記構成の装着型動作支援装置１０を身体に装着した装着者が歩行したときの、装着具１１の状態を説明する。図１は装着型動作支援装置１０の両立脚状態を示しており、図９は装着型動作支援装置１０の片立脚状体を示している。両立脚状態とは、装着者が直立し、両方の足裏プレート５３１が接地している状態をいい、片立脚状態とは、装着者の片足が地面から離れ、一方の足裏プレート５３１が接地し且つ他方の足裏プレートが浮いている状態をいう。図１に示すように、両立脚状態において、装着具１１は腰部フレーム３０の左右中央Ｃ２を対称軸として左右線対称な状態にある。したがって、腰部フレーム３０に設けられた下リンク７２（すなわち、基部３１）および背部フレーム４０に設けられた上リンク７１は略水平である。両立脚状態において、装着具１１および背部フレーム４０に積載されたバックパック１２の荷重は足裏プレート５３１，５３１で支持され、これらの荷重は装着者に負荷されない。
【００３８】
そして、両立脚状態から、一方の下肢フレーム５０において股関節用アクチュエータ６１の作動により腰部フレーム３０に対し大腿アーム５１が矢状面上で前方へ回転し、膝関節用アクチュエータ６３の作動により大腿アーム５１に対し下腿アーム５２が矢状面上で後方へ回転すると、図９に示すように、一方の下肢フレーム５０の足裏プレート５３１が地面から離れて膝関節が前へ上がった状態（片立脚状態）となる。両立脚状態から片立脚状態へ移行する際に、一方の下肢フレーム５０が立脚（接地している脚）から遊脚（接地していない脚）へ移行する。下肢フレーム５０が立脚から遊脚へ移行するときに、第１の並進自由度機構５５により大腿アーム５１が基準長さから並進方向へ伸長することにより、装着者は違和感なく脚を動かすことができる。また、下肢フレーム５０が遊脚から立脚へ移行するときや昇降するときなどに、第２の並進自由度機構５７により下腿アーム５２が装着者の下肢の動きに追従して基準長さから並進方向へ伸長することにより、装着者は違和感なく脚を動かすことができる。
【００３９】
装着者の歩行時に、装着者の骨盤が前額面上で揺動することから、腰部フレーム３０も前額面上で揺動する。片立脚状態において、装着者の骨盤は水平から傾き、その結果、腰部フレーム３０に設けられた下リンク７２（すなわち、基部３１）は、立脚側が高く且つ遊脚側が低くなるように傾いている。下リンク７２が傾くと、接続部７０では、右リンク７３および左リンク７４の傾きが変化することによって上リンク７１の略水平が維持される。このように、背部フレーム４０と腰部フレーム３０とが前額面上の１自由度の回転機構で接続されることによれば、装着者の歩行時に腰部フレーム３０が前額面上で揺動しても、この揺動は背部フレーム４０へ伝播しない。つまり、背部フレーム４０の横揺れが抑制されて、背部フレーム４０を装着者に係留している係止具４４と装着者の身体との擦れを防止することができる。
【００４０】
なお、接続部７０を構成している四節リンク機構の四節を順に線で結んだ形状が上下逆台形であれば、片立脚状態において下リンク７２が傾くと、上リンク７１の左右中央Ｃ１は下リンク７２の左右中央Ｃ２から立脚側へ移動する。上リンク７１の左右中央Ｃ１の延長線上には背部フレーム４０の重心が位置することから、上リンク７１の左右中央Ｃ１が立脚側へ移動することは、背部フレーム４０の重心が立脚側へ移動することと同義となる。このように、片立脚状態において背部フレーム４０の重心が立脚側へ移動することによれば、背部フレーム４０およびこれに積載されたバックパック１２の重量は立脚側の下肢フレーム５０で支持されるので、装着者に負荷されない。上記理由から、接続部７０を構成している四節リンク機構は四節を順に線で結んだ形状が上下逆台形であることが望ましい。
【００４１】
なお、上記のように片立脚状態において背部フレーム４０の重心が立脚側へ移動すると、立脚側の下肢フレーム５０は外側へやや撓んだ状態となる。そこで、このように下肢フレーム５０が外側に撓んだ状態となっても下肢フレーム５０が外側へ転倒しないようにするために、図２に示すように、足関節用ジョイント６４には第２継手６４２に対する第１継手６４１の前額面上の外側への回動範囲を規制するストッパ６４６（規制部材）が設けられている。足関節用ジョイント６４の第２継手６４２に対する第１継手６４１の前額面上の外側への回動範囲が規制されることにより、足裏プレート５３１に対して下腿アーム５２が外側へ倒れることを防止できる。
【００４２】
また、片立脚状態において、前述の通り上リンク７１の左右中央Ｃ１は下リンク７２の左右中央Ｃ２から水平方向に変位している。上リンク７１の左右中央Ｃ１と下リンク７２の左右中央Ｃ２との水平方向の変位量を「左右中央変位量ΔＣ」ということとする。左右中央変位量ΔＣが適正範囲内であれば、上記の通り腰部フレーム３０が水平から傾いても上リンク７１の水平が維持されるとともに、装着具１１およびバックパック１２の荷重は装着者に負荷されない。ところが、左右中央変位量ΔＣが過剰となれば、すなわち、背部フレーム４０の重心の下リンク７２の左右中央Ｃ２からの乖離量が過剰となれば、背部フレーム４０の重心が過度に立脚側へ移動してバランスが崩れてしまい、装着者はバランスを保つために余計な筋力活動が必要となってしまう。そこで、腰部フレーム３０と背部フレーム４０との接続部７０では、左右中央変位量ΔＣが適正範囲内となるように調整されている。具体的には、歩行時の人間の骨盤は前額面上で水平から最大で５−８度揺動することが知られている。腰部フレーム３０が水平から骨盤の最大の揺動角度（ここでは５度とする）傾いたときに、左右中央変位量ΔＣの最大値が適正範囲上限値以下となるように接続部７０が調整されている。参考までに、「ヒューマンウォーキング原著第３版」（著者；Jessica Rose，James G．Gamble ed． 出版社；医師役出版株式会社）によれば、一般的な成人男性の歩行において、前額面に描かれる質量中心の動きは少し歪んだ横向きの８の字状となり、前額面に描かれる骨盤の変位も少し歪んだ横向きの８の字状となる。この文献に示された一例では、骨盤が水平から約５度傾いたときの質量中心の左右方向の変位は約２５ｍｍである。この例に従えば、左右中央変位量ΔＣの適正範囲は左右に０−２５ｍｍであって、この適正範囲を超えると腰部フレーム３０に対する背部フレーム４０の左右方向の変位が身体の動きから大きく乖離するので、装着者に負荷を与えてしまうこととなる。なお、骨盤の揺動角度に対する質量中心の左右方向の変位は、歩幅、歩行速度、歩行者の体格などによって異なるので、左右中央変位量ΔＣの適正範囲も歩幅、歩行速度、歩行者の体格などによって異なる。
【００４３】
左右中央変位量ΔＣの最大値は、接続部７０を構成している四節リンク機構の形状によって定まる。図１０は四節リンク機構の一例を示す図であり、図１１は四節リンク機構の変形例を示す図である。図１０（ａ）と図１１（ａ）に示された四節リンク機構は、いずれも同じ長さの右リンク７３および左リンク７４を有するが、上辺（上リンク７１の接合ピン７５，７５間）と下辺（下リンク７２の接合ピン７５，７５間）の長さが異なり、上辺および下辺ともに図１０（ａ）に示された四節リンク機構のほうが長い。図１０（ｂ）と図１１（ｂ）では、図１０（ａ）と図１１（ａ）に示された四節リンク機構の各下リンク７２を同じ角度（ここでは８度）だけ水平から傾けたときの状態が示されている。図１０（ｂ）と図１１（ｂ）を比較すると明らかなように、上辺および下辺の長さがより長い四節リンク機構（図１０）の方が左右中央変位量ΔＣが大きい。このように、四節リンク機構は上辺および下辺の長さに応じて左右中央変位量ΔＣの最大値が異なる。本実施形態に係る接続部７０では、上リンク７１と下リンク７２はそれぞれに複数の接合孔７１ａ，７２ａを有するので、四節リンク機構の上辺（上リンク７１の接合ピン７５，７５間）と下辺（下リンク７２の接合ピン７５，７５間）の長さが可変である。そして、上リンク７１の複数の接合孔７１ａと下リンク７２の複数の接合孔７２ａのなかから最適な組み合わせを選択することにより、左右中央変位量ΔＣを適正範囲上限値以下に収めることができる。なお、本実施形態に係る接続部７０では、上リンク７１および下リンク７２のそれぞれに複数の接合孔７１ａ，７２ａを設けているが、上リンク７１および下リンク７２のうち少なくとも一方において右リンク７３および左リンク７４の接合位置が左右方向に可変であればよい。かかる構成により、四節リンク機構の上辺（上リンク７１の接合ピン７５，７５間）と下辺（下リンク７２の接合ピン７５，７５間）のうち少なくとも一方の長さが可変となる。そして、四節リンク機構の上辺および下辺のうち少なくとも一方の長さを変化させることで、四節リンク機構の大きさを装着者の体格に合わせたり、下リンクが揺動したときの左右中央変位量ΔＣの最大値を調整したりすることができる。
【００４４】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
【００４５】
例えば、上記実施の形態において背部フレーム４０と腰部フレーム３０との接続部７０は四節リンク機構で構成されているが、接続部７０の構成は上記に限定されない。接続部７０は、背部フレーム４０と腰部フレーム３０とを接続する前額面上の１自由度の回転機構であればよい。例えば、上記実施の形態に記載された接続部７０に加え、補助的な部材を付加してもよい。また、例えば、四節リンク機構を用いずに接続部７０を構成することもできる。図１２は腰部フレームと背部フレームの接続部の変形例を示す装着型動作支援装置の概略正面図であって、（ａ）は両立脚状態であり、（ｂ）は片立脚状態である。図１２（ａ）に示す例では、腰部フレーム３０の左右中央上部に接合孔３４が穿設された突起部３５が腰部フレーム３０と一体的に設けられている。一方、背部フレーム４０の左右中央下部には接合孔４２が設けられている。そして、腰部フレーム３０の接合孔３４と、背部フレーム４０の接合孔４２と、これらの接合孔３４，４２に挿通され且つ前額面と垂直に延びる軸４３とにより接続部７０が構成されている。かかる構成により、腰部フレーム３０と背部フレーム４０とは前額面上の１自由度を有する回転対偶となっている。よって、図１２（ｂ）に示すように、装着者の歩行時に腰部フレーム３０が前額面上で水平から揺動しても、腰部フレーム３０に対し背部フレーム４０が回動することで、腰部フレーム３０の揺動は背部フレーム４０へ伝播しない。つまり、背部フレーム４０の振れが抑制されて、背部フレーム４０を装着者に係留している係止具４４と装着者の身体との擦れを防止することができる。
【００４６】
また、例えば、上記実施の形態において装着型動作支援装置１０は背部フレーム４０を備え、当該背部フレーム４０に荷（バックパック１２）を積載するようになっているが、背部フレーム４０を構成から省いてもよい。この場合は、図１３に示すように、バックパック１２の筐体そのものが背部フレーム４０としての機能を備えるように構成される。具体的には、装着者の背部に係留させるための肩紐やフックなどの係止具４４と、腰部フレーム３０と接続するための上リンク７１が、バックパック１２の筐体に設けられる。
【００４７】
また、例えば、上記実施の形態において、装着型動作支援装置１０の下肢フレーム５０は足裏プレート５３１を備え、この足裏プレート５３１で装着具１１およびバックパック１２の荷重を支持するように構成されているが、足裏プレート５３１を構成から省いても良い。この場合の下肢フレーム５０、股関節用アクチュエータ６１、股関節用ジョイント６２、大腿アーム５１、膝関節用アクチュエータ６３および下腿アーム５２で構成される。なお、このような装着型動作支援装置１０では、装着具１１およびバックパック１２の荷重は装着者が負担することとなる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、使用者の下肢に装着されて、股関節や膝関節の屈伸を伴う歩行、走行、立つ、座る、および段の昇降などの使用者の下肢の動作を補助又は代行する装着型動作支援装置であって、装着者の肩又は脇に係留される背部フレーム（バックパック）を備えるものにおいて、背部フレームの振れを防止するために有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 装着型動作支援装置
１１ 装着具
１２ バックパック
１３ バッテリ
１４ 制御器
３０ 腰部フレーム
３１ 基部
３２ サイド部
４０ 背部フレーム
５０ 下肢フレーム
５１ 大腿アーム
５２ 下腿アーム
５３ 足下アーム
５３１ 足裏プレート
６１ 股関節用アクチュエータ
６２ 股関節用ジョイント
６３ 膝関節用アクチュエータ
６４ 足関節用ジョイント
７０ 接続部
７１ 上リンク
７２ 下リンク
７３ 右リンク
７４ 左リンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、
前記装着者の左右方向に長尺な基部を有し、前記装着者の腰周りに装着される腰部フレームと、
前記腰部フレームの下部に接続されて、前記装着者の下肢に装着される左右一対の下肢フレームと、
前記腰部フレームの上部に接続されて、前記装着者の肩に係留させるための係止具を有する背部フレームと、
前記背部フレームと前記腰部フレームの基部とを接続する前額面上の１自由度の回転機構とを備えている、装着型動作支援装置。
【請求項２】
前記回転機構は、前記腰部フレームに設けられて前記基部と略平行な下リンクと、前記背部フレームに設けられた上リンクと、前記下リンクと前記上リンクのそれぞれに接合された左リンクおよび右リンクとから成り、前記腰部フレームの左右中央を対称軸として線対称な四節リンク機構である、請求項１に記載の装着型動作支援装置。
【請求項３】
前記四節リンク機構は、四節を順に線で結んだ形状が上下逆台形である、請求項２に記載の装着型動作支援装置。
【請求項４】
前記下リンクおよび前記上リンクのうち少なくとも一方の前記右リンクおよび前記左リンクとの接合位置は前記左右方向に可変である、請求項２又は請求項３に記載の装着型動作支援装置。
【請求項５】
前記回転機構は、前記腰部フレームの前記基部の左右略中央および前記背部フレームの左右略中央のそれぞれに設けられた接合孔に挿通された前額面に垂直な軸で構成されている、請求項１に記載の装着型動作支援装置。
【請求項６】
前記左右一対の下肢フレームおよび前記腰部フレームは、総じて４の前額面上の回転自由度と総じて４以上の矢状面上の回転自由度とを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項７】
前記左右一対の下肢フレームは、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記装着者の足部に装着される足下アームとを各々に有し、
前記大腿アームと前記下腿アームは矢状面上で回動可能に接続され、
前記腰部フレームと前記大腿アームおよび前記下腿アームと前記足下アームは矢状面上および前額面上で回動可能に接続されている、請求項６に記載の装着型動作支援装置。
【請求項８】
前記下肢フレームは、前記足下アームに対する前記下腿アームの前額面上の回動範囲を規制する規制部材を有する、請求項７に記載の装着型動作支援装置。
【請求項９】
前記下肢フレームは、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記大腿アームを基準長さから並進方向に伸長可能とする第１の並進自由度機構とを有している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項１０】
前記第１の並進自由度機構は、回旋自由度を併有している、請求項９に記載の装着型動作支援装置。
【請求項１１】
前記下肢フレームが、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記下腿アームを基準長さから並進方向に伸長可能とする第２の並進自由度機構とを有している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項１２】
前記下肢フレームは、前記装着者の足が載置される足裏プレートを有している、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項１】
装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、
前記装着者の左右方向に長尺な基部を有し、前記装着者の腰周りに装着される腰部フレームと、
前記腰部フレームの下部に接続されて、前記装着者の下肢に装着される左右一対の下肢フレームと、
前記腰部フレームの上部に接続されて、前記装着者の肩に係留させるための係止具を有する背部フレームと、
前記背部フレームと前記腰部フレームの基部とを接続する前額面上の１自由度の回転機構とを備えている、装着型動作支援装置。
【請求項２】
前記回転機構は、前記腰部フレームに設けられて前記基部と略平行な下リンクと、前記背部フレームに設けられた上リンクと、前記下リンクと前記上リンクのそれぞれに接合された左リンクおよび右リンクとから成り、前記腰部フレームの左右中央を対称軸として線対称な四節リンク機構である、請求項１に記載の装着型動作支援装置。
【請求項３】
前記四節リンク機構は、四節を順に線で結んだ形状が上下逆台形である、請求項２に記載の装着型動作支援装置。
【請求項４】
前記下リンクおよび前記上リンクのうち少なくとも一方の前記右リンクおよび前記左リンクとの接合位置は前記左右方向に可変である、請求項２又は請求項３に記載の装着型動作支援装置。
【請求項５】
前記回転機構は、前記腰部フレームの前記基部の左右略中央および前記背部フレームの左右略中央のそれぞれに設けられた接合孔に挿通された前額面に垂直な軸で構成されている、請求項１に記載の装着型動作支援装置。
【請求項６】
前記左右一対の下肢フレームおよび前記腰部フレームは、総じて４の前額面上の回転自由度と総じて４以上の矢状面上の回転自由度とを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項７】
前記左右一対の下肢フレームは、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記装着者の足部に装着される足下アームとを各々に有し、
前記大腿アームと前記下腿アームは矢状面上で回動可能に接続され、
前記腰部フレームと前記大腿アームおよび前記下腿アームと前記足下アームは矢状面上および前額面上で回動可能に接続されている、請求項６に記載の装着型動作支援装置。
【請求項８】
前記下肢フレームは、前記足下アームに対する前記下腿アームの前額面上の回動範囲を規制する規制部材を有する、請求項７に記載の装着型動作支援装置。
【請求項９】
前記下肢フレームは、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記大腿アームを基準長さから並進方向に伸長可能とする第１の並進自由度機構とを有している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項１０】
前記第１の並進自由度機構は、回旋自由度を併有している、請求項９に記載の装着型動作支援装置。
【請求項１１】
前記下肢フレームが、前記装着者の大腿部に装着される大腿アームと、前記装着者の下腿部に装着される下腿アームと、前記下腿アームを基準長さから並進方向に伸長可能とする第２の並進自由度機構とを有している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項１２】
前記下肢フレームは、前記装着者の足が載置される足裏プレートを有している、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１１０４９７（Ｐ２０１２−１１０４９７Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６１６９８（Ｐ２０１０−２６１６９８）
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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