装着式動作補助装置
【課題】装着者の負担を軽減して作業効率を高める装着式動作補助装置を提供する。
【解決手段】装着者１２は、装着式動作補助装置１０が装着された状態で防護服１４及び頭部保護具１６を装着する。動作補助装置１０は、腰支持体３０に当該装着者１２の上体を囲むように形成された上体フレーム２１０が取り付けられている。上体フレーム２１０は、当該装着者１２の右側に位置する第１上フレーム２２０と、当該装着者１２の左側に位置する第２上フレーム２３０と、第１上フレーム２２０と第２上フレーム２３０との間を連結する連結部２４０とを有する。防護服１４を着用する際は、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２が防護服１４の肩部内側に当接する。従って、防護服１４の質量は、腰支持体３０に固定された上体フレーム２１０に支持され、装着者１２には作用しない。
【解決手段】装着者１２は、装着式動作補助装置１０が装着された状態で防護服１４及び頭部保護具１６を装着する。動作補助装置１０は、腰支持体３０に当該装着者１２の上体を囲むように形成された上体フレーム２１０が取り付けられている。上体フレーム２１０は、当該装着者１２の右側に位置する第１上フレーム２２０と、当該装着者１２の左側に位置する第２上フレーム２３０と、第１上フレーム２２０と第２上フレーム２３０との間を連結する連結部２４０とを有する。防護服１４を着用する際は、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２が防護服１４の肩部内側に当接する。従って、防護服１４の質量は、腰支持体３０に固定された上体フレーム２１０に支持され、装着者１２には作用しない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は装着式動作補助装置に係り、特に防護服を装着した場合の動作支援を行えるよう構成された装着式動作補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、放射線や化学薬品などの作業者に悪影響を与えるような事故現場においては、作業者は環境から身体への影響を遮蔽する防護服を着用して作業を行うことになる（例えば、特許文献１参照）。このような防護服は、例えば、放射線を遮蔽する鉛又はタングステンなどの金属板が主に作業者の胴体を囲むように取り付けられている。また、防護服を形成する素材自体も厚手のものとなり、防護服の質量はおよそ２０Ｋｇ〜３０Ｋｇにもなる。
【０００３】
また、放射線に汚染された空気が充満する室内や化学薬品が流出し、有毒ガスが発生するような環境下で作業する場合には、防護服を着用した上、鉄製の酸素ボンベを背中に背負うことになる。空気ボンベは、空気の充填可能容量によって大きさが異なり、およそ５Ｋｇ〜８Ｋｇの質量がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９６３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、防護服や空気ボンベ等の装具の全質量が作業者に作用した状態であるので、作業者は防護服や空気ボンベの荷重を支えながら作業を行うことになり、体力の消耗が激しく、且つ体温上昇や発汗による脱水症状により、短時間（例えば１０分〜２０分程度）しか作業が行えないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、装具荷重による作業者の負担を軽減することで上記課題を解決した装着式動作補助装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、装着者の腰に装着される腰支持体と、
該腰支持体の右側を支持するように結合された右脚補助部と、
前記腰支持体の左側を支持するように結合された左脚補助部と、
前記装着者の関節に対応するように前記右脚補助部及び前記左脚補助部に配された複数の駆動部と、
前記複数の駆動部を制御する制御部とを有する装着式動作補助装置において、
前記装着者の上体を囲むように形成された上体フレームを前記腰支持体に設け、
前記上体フレームは、当該装着者が装着する防護服の肩部を支持することを特徴とする。
（２）本発明の前記上体フレームは、前記装着者の上体と非接触となる形状に形成されていることを特徴とする。
（３）本発明の前記上体フレームは、金属パイプにより形成され、端部が前記腰支持体に固定された結合部に結合されることを特徴とする。
（４）本発明の前記上体フレームは、当該装着者の肩に対応する肩支持部を有し、前記防護服の肩部を前記肩支持部により支持することを特徴とする。
（５）本発明の前記上体フレームは、端部が前記腰支持体に対して回動可能に結合され、前記防護服の肩部の位置に応じて当接位置が調整されるように設けられたことを特徴とする。
（６）本発明の前記上体フレームの当該装着者の肩に対応する位置に、前記防護服の袖を支持するように構成された袖支持部を設けたことを特徴とする。
（７）本発明の前記上体フレームに、前記防護服の内側を冷却する冷却部を設けたことを特徴とする。
（８）本発明の前記上体フレームに、当該装着者の頭部に装着される頭部保護具を支持する頭部支持フレームを設けたことを特徴とする。
（９）本発明の前記上体フレームは、
当該装着者の右側に位置する第１フレームと、
当該装着者の左側に位置する第２フレームと、
前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する連結部とを有することを特徴とする。
（１０）本発明は、前記右脚補助部及び前記左脚補助部に各関節の回動角度を検出する角度センサを設け、
前記制御部は、前記角度センサにより検出された角度検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御することを特徴とする。
（１１）本発明は、前記装着者の右脚、左脚の生体信号を検出する生体信号検出センサを設け、
前記制御部は、前記生体信号検出センサにより検出された生体信号検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、装着者の上体を囲むように形成された上体フレームを腰支持体に設け、上体フレームが当該装着者が装着する防護服の肩部を支持するため、防護服の質量が装着者に作用せず、装着者の負担を軽減して体力の消耗を抑制できると共に、防護服を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
【０００９】
また、上体フレームに冷却部を設けるため、装着者の体温の上昇を抑制することで、装着者が脱水状態になることを防止でき、湿度の高い作業環境下での作業時間の延長が可能になる。
【００１０】
また、上体フレームに当該装着者の頭部に装着される頭部保護具を支持する頭部支持フレームを設けるため、頭部保護具の質量が装着者に作用せず、装着者の頭部の負担を軽減して体力の消耗を抑制できると共に、防護服を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
【００１１】
また、制御部が装着者の動作に応じて駆動部の駆動トルクを制御するため、装着者が歩行する際にも防護服や頭部保護具の質量を感じることなく、歩行することが可能になり、体力の消耗を抑制できると共に、防護服を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による装着式動作補助装置の一実施例を用いて防護服及び頭部保護具を装着した状態を示す斜視図である。
【図２】装着式動作補助装置を斜め前側からみた斜視図である。
【図３】装着式動作補助装置を斜め後側からみた斜視図である。
【図４】装着式動作補助装置の脚部フレーム構造を示す斜視図である。
【図５】制御部のシステム構成を示すブロック図である。
【図６】各制御機器の接続を示すブロック図である。
【図７Ａ】生体検出信号を用いて制御部が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。
【図７Ｂ】角度センサの検出信号を用いて制御部が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】上体フレームの変形例１を示す斜視図である。
【図９】上体フレームの変形例２を示す斜視図である。
【図１０】上体フレームの変形例３を示す斜視図である。
【図１１】上体フレームの変形例４を示す斜視図である。
【図１２】上体フレームの変形例５を示す斜視図である。
【図１３】上体フレームの変形例６を示す斜視図である。
【図１４】上体フレームの変形例７を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【実施例１】
【００１４】
〔装着式動作補助装置と防護服との関係について〕
図１は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を用いて防護服及び頭部保護具を装着した状態を示す斜視図である。図２は装着式動作補助装置を斜め前側からみた斜視図である。図３は装着式動作補助装置を斜め後側からみた斜視図である。
【００１５】
図１乃至図３に示されるように、装着者１２は、装着式動作補助装置１０（以下「動作補助装置」と称する）が装着された状態で防護服１４及び頭部保護具１６を装着する。防護服１４は、装着者１２の上体を保護する上着１４Ａと、装着者１２の下半身を保護するズボン１４Ｂとからなる。防護服１４の上着１４Ａ及び頭部保護具１６には、放射線を遮蔽する鉛又はタングステンからなる遮蔽材が縫合されている。尚、防護服１４及び頭部保護具１６は、動作補助装置１０及び装着者１２の動作を妨げないように装着者１２の体格よりも大きいサイズのものを着用する。
【００１６】
頭部保護具１６は、帽子のように上方からかぶるように形成されており、頭部１６ａと、頭部１６ａの下部から周囲に延在する鍔部１６ｂとを有する。頭部１６ａは、装着者１２の頭の上方を囲むように形成されており、装着者１２に接触していない。そして、頭部保護具１６は、鍔部１６ｂが防護服１４の肩部に当接するため、頭部保護具１６の質量が装着者１２に作用しないように着用される。また、頭部１６ａの前側開口には、装着者１２の視界を確保するため、透明部材による保護シールド１７が設けられている。
【００１７】
動作補助装置１０は、腰支持体３０に当該装着者１２の上体を囲むように形成された上体フレーム２１０が取り付けられている。上体フレーム２１０は、例えば、ジュラルミンあるいはアルミニウム合金等の金属パイプからなり、装着者１２の上半身と非接触となるように大きく湾曲するように形成されている。また、上体フレーム２１０は、当該装着者１２の右側に位置する第１上フレーム２２０と、当該装着者１２の左側に位置する第２上フレーム２３０と、第１上フレーム２２０と第２上フレーム２３０との間を連結する連結部２４０とを有する。
【００１８】
第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０は、当該装着者１２の肩の上方を通過するように湾曲された肩支持部２２２、２３２を有する。また、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の各端部２２１，２２３，２３１，２３３は、腰支持体３０に形成された４箇所のフレーム結合部２５０に挿入結合される。
【００１９】
腰支持体３０は、後述するように外周側は金属材などの剛性を有する材料により形成され、その内側には弾性を有するクッション材が設けられている。
【００２０】
防護服１４を着用する際は、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２が防護服１４の肩部内側に当接する。従って、防護服１４の質量は、腰支持体３０に固定された上体フレーム２１０に支持され、装着者１２には作用しない。
【００２１】
さらに、腰支持体３０は、後述するフレーム構造１８により支持されている。そのため、動作補助装置１０は、当該装置１０及び防護服１４の質量が装着者１２の負担にならない構成になっている。よって、装着者１２は、防護服１４及び頭部保護具１６を装着した場合でもこれらの質量を殆ど感じることなく、動作(作業)することができる。
【００２２】
すなわち、動作補助装置１０によれば、防護服１４の質量が装着者１２に作用せず、装着者１２の負担を軽減して体力の消耗を抑制できると共に、防護服１４を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
〔装着式動作補助装置１０の構成〕
図２及び図３に示されるように、動作補助装置１０は、装着者の動作を支援（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）及び／又は当該装着者の関節の動作角度や重心位置などを検出し、この検出信号に基づいて駆動部からの駆動力を付与するように作動する。
【００２３】
動作補助装置１０及び防護服１４を装着した装着者１２は、自らの意思で歩行動作を行うと、その際に発生した生体信号及び／又は当該装着者の膝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動作補助装置１０から付与され、例えば、通常歩行で必要とされる筋力の半分の力で歩行することが可能になる。従って、装着者１２は、自身の筋力と駆動部（本実施例では、電動式の駆動モータを用いる）からの駆動トルクとの合力によって歩行することができる。
【００２４】
その際、動作補助装置１０は、歩行動作に伴う重心の移動に応じて付与されるアシスト力（モータトルク）が装着者１２の意思を反映するように制御している。そのため、動作補助装置１０の駆動部は、装着者１２の意思に応じて動作をアシストするように制御される。
【００２５】
また、動作補助装置１０は、歩行動作以外にも、例えば、装着者１２が椅子に座った状態から立ち上がる際の動作、あるいは立った状態から椅子に腰掛ける際の動作も補助することができる。さらには、装着者１２が階段を上がったり、階段を下りる場合にもパワーアシストすることができる。特に装着者１２が防護服１４及び頭部保護具１６を着用している、さらに背中に酸素ボンベを背負っている場合には、階段の上り動作や、椅子から立ち上がる動作を行うことが難しいが、装着者１２は、自らの意思に応じて動作補助装置１０から駆動トルクを付与されて動作することが可能になる。
【００２６】
ここで、動作補助装置１０の構成の一例について説明する。動作補助装置１０は、装着者１２に装着されるフレーム構造１８に駆動部を設けたものである。駆動部としては、装着者１２の右側股関節に位置する右腿駆動モータ２０と、装着者１２の左側股関節に位置する左腿駆動モータ２２と、装着者１２の右膝関節に位置する右膝駆動モータ２４と、装着者１２の左膝関節に位置する左膝駆動モータ２６とを有する。これらの駆動モータ２０，２２，２４，２６は、制御ユニット(制御部)３６からの制御信号により駆動トルクを制御されるＤＣモータまたはＡＣモータなどからなる電動モータからなる。また、各駆動モータ２０，２２，２４，２６は、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構（駆動部に内蔵）を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。また、駆動モータ２０，２２，２４，２６としては、設置スペースが小さく済むように薄型化された超音波モータを用いても良いのは勿論である。
【００２７】
また、装着者１２の腰の周囲に装着される腰支持体３０には、駆動モータ２０，２２，２４，２６を駆動させるための電源として機能するバッテリ３２，３４が取り付けられている。バッテリ３２、３４は、充電式バッテリであり、装着者１２の歩行動作を妨げないように左右に分散配置されている。
【００２８】
また、装着者１２の背面側となる腰支持部３０の後側には、制御ユニット(制御部)３６が取り付けられている。
【００２９】
そして、動作補助装置１０は、装着者１２の右腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂと、装着者１２の左腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ４０ａ，４０ｂと、右膝の動きに関わる生体電位を検出する生体信号検出センサ４２ａ，４２ｂと、左膝の動きに関わる生体電位を検出する生体信号検出センサ４４ａ，４４ｂとを有する。
【００３０】
これらの各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、筋電位信号や神経伝達信号などの生体電位信号(生体信号)を皮膚を介して検出する生体信号検出部であり、微弱電位を検出するための電極（図示せず）を有する。尚、本実施例では、各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、電極の周囲を覆う粘着シールにより装着者１２の皮膚表面に貼着するように取り付けられる。
【００３１】
人体においては、脳からの指令によって骨格筋を形成する筋肉の表面にシナプス伝達物質のアセチルコリンが放出される結果、筋線維膜のイオン透過性が変化して活動電位が発生する。そして、活動電位によって筋線維の収縮が発生し、筋力を発生させる。そのため、骨格筋の電位を検出することにより、歩行動作の際に生じる筋力を推測することが可能になり、この推測された筋力に基づく仮想トルクから歩行動作に必要なアシスト力(駆動トルク)を求めることが可能になる。
【００３２】
従って、動作補助装置１０では、これらの生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂによって検出された生体信号に基づいて４個の駆動モータ２０，２２，２４，２６に供給する駆動電流を求め、この駆動電流で駆動モータ２０，２２，２４，２６を駆動することで、必要なアシスト力(駆動トルク)が付与されて装着者１２の歩行動作を補助するように構成されている。
【００３３】
また、歩行動作による重心移動をスムーズに行うため、脚の裏にかかる荷重を検出する必要がある。そのため、装着者１２の左右脚の裏には、床反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ（図２及び図３中、破線で示す）が設けられている。
【００３４】
また、床反力センサ５０ａは、右脚前側の荷重に対する反力を検出し、床反力センサ５０ｂは、右脚後側の荷重に対する反力を検出する。床反力センサ５２ａは、左脚前側の荷重に対する反力を検出し、床反力センサ５２ｂは、左脚後側の荷重に対する反力を検出する。各床反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂは、例えば、印加された荷重に応じた電圧を出力する圧電素子、又は、荷重に応じて静電容量が変化するセンサなどからなり、体重移動に伴う荷重変化、及び装着者１２の脚と地面との接地の有無を夫々検出することができる。また、左右の足裏に係る荷重のバランスから、重心位置を求めることができる。
【００３５】
図４はフレーム構造１８の装着前の状態を示す斜視図である。図４に示されるように、フレーム構造１８は、装着者１２の腰に装着される腰支持体３０と、腰支持体３０の右側から下方に設けられた右脚補助フレーム部５４と、腰支持体３０の左側から下方に設けられた左脚補助フレーム部５５とを有する。
【００３６】
腰支持体３０は、例えば剛性を有するジュラルミンやアルミ合金などの金属材により形成された腰サポート部１１０を有しており、その背面内側には、装着者１２の腰背面側との隙間をなくして密着するフィッティング部３１が取り付けられている。また、腰支持体３０の腰サポート部１１０の外側には、上体フレーム２１０を固定するための結合部２５０が一体的に設けられている。そして、フィッティング部３１は、スポンジ又は低反発樹脂材などからなり、装着者１２の腰背面側に当接して装着者１２の腰を保護する。
【００３７】
また、腰支持体３０の腰サポート部１１０は、剛性を有するため、荷重を支えるためのフレームとして機能しており、外周の４箇所にはフレーム結合部２５０が一体的に設けられている。
【００３８】
フレーム結合部２５０は、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の各端部２２１，２２３，２３１，２３３が挿入される挿入孔２５２を有する。第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０は、各端部２２１，２２３，２３１，２３３がフレーム結合部２５０の挿入孔２５２に挿入された後、その端部２２１，２２３，２３１，２３３の外周が各挿入孔２５２に溶接又はネジ等により固定又は締結される。
【００３９】
右脚補助フレーム部５４と左脚補助フレーム部５５とは、左右対称に配置されており、腰支持体３０に連結された腰部連結機構２００と、腰部連結機構２００より下方に延在し装着者１２の腿側方に沿うように形成された第１下フレーム５８と、第１下フレーム５８より下方に延在し装着者１２の脛側方に沿うように形成された第２下フレーム６０と、装着者１２の脚の裏（靴を履く場合には、靴底）が載置される第３下フレーム６２とを有する。
【００４０】
腰部連結機構２００の下端と第１下フレーム５８の上端との間には、軸受構造とされた第１関節６４が介在しており、腰部連結機構２００と第１下フレーム５８とを回動可能に連結している。この第１関節６４は、股関節と一致する高さ位置に設けられており、腰部連結機構２００が第１関節６４の支持側に締結され、第１下フレーム５８が第１関節６４の回動側に締結されている。また、第１関節６４は、駆動モータ２０，２２が内蔵されたモータユニットを構成しており、第１関節６４と駆動モータ２０，２２とは外観上一体化されている。
【００４１】
また、第１下フレーム５８の下端と第２下フレーム６０の上端との間には、軸受構造とされた第２関節６６が介在しており、第１下フレーム５８と第２下フレーム６０とを回動可能に連結している。この第２関節６６は、膝関節と一致する高さ位置に設けられており、第１下フレーム５８が第２関節６６の支持側に締結され、第２下フレーム６０が第２関節６６の回動側に締結されている。また、第２関節６６には、駆動モータ２４，２６が内蔵されたモータユニットを構成しており、第２関節６６と駆動モータ２４，２６とは外観上一体化されている。
【００４２】
また、第２下フレーム６０の下端と第３下フレーム６２の上端との間には、軸受構造とされた第３関節６８が介在しており、第２下フレーム６０と第３下フレーム６２とを回動可能に連結している。そして、第３下フレーム６２の内側には、装着者１２の足を装着する靴８４が固定されている。
【００４３】
従って、第１下フレーム５８及び第２下フレーム６０は、腰支持体３０に固定された腰部連結機構２００に対して第１関節６４及び第２関節６６を回動支点とする歩行動作を行えるように取り付けられている。すなわち、第１下フレーム５８及び第２下フレーム６０は、装着者１２の脚と同じ動作を行えるように構成されている。また、第３関節６８は、装着者１２の足首の側方に位置するように設けられている。そのため、靴８４は、第３関節６８の回動動作により歩行動作に応じて装着者１２の足首と同じように床面（または地面）に対する角度が変化する。
【００４４】
また、第１関節６４及び第２関節６６は、駆動モータ２０，２２，２４，２６の回転軸が、ギヤを介して被駆動側となる第１下フレーム５８、第２下フレーム６０に駆動トルクを伝達するように構成されている。
【００４５】
さらに、駆動モータ２０，２２，２４，２６は、関節回動角度を検出する角度センサ(図６参照)を有する。この角度センサは、例えば、第１関節６４及び第２関節６６の関節角度に比例したパルス数をカウントするロータリエンコーダなどからなり、関節回動角度に応じたパルス数に対応した電気信号をセンサ出力として出力する。
【００４６】
第１関節６４の角度センサは、装着者１２の股関節の関節角度に相当する腰支持体３０と第１下フレーム５８との間の回動角度を検出する。また、第２関節６６の角度センサは、装着者１２の膝関節の関節角度に相当する第１下フレーム５８の下端と第２下フレーム６０との間の回動角度を検出する。
【００４７】
また、第１下フレーム５８の長手方向の中間位置には、装着者１２の腿に締結されるベルト状の腿締結部材７８が取り付けられている。腿締結部材７８の内面側には、装着者１２の腿との隙間をなくして密着するフィッティング部７９が取り付けられている。
【００４８】
また、第２フレーム６０の長手方向の中間位置には、装着者１２の膝下の脛に締結されるベルト状の脛締結部材８０が取り付けられている。脛締結部材８０の内面側には、装着者１２の脛との隙間をなくして密着するフィッティング部８１が取り付けられている。
【００４９】
従って、駆動モータ２０，２２，２４，２６で発生された駆動トルクは、ギヤを介して第１下フレーム５８、第２下フレーム６０に伝達され、さらに腿締結部材７８、脛締結部材８０を介して装着者１２の脚にアシスト力として伝達される。
【００５０】
また、第２下フレーム６０の下端には、第３関節軸６８を介して靴８４が回動可能に連結されている。尚、第１下フレーム５８及び第２下フレーム６０は、装着者１２の脚の長さに応じた長さに調整されている。
【００５１】
各フレーム５８，６０，６２は、夫々ジュラルミン等の軽量化された金属材の周囲を弾性を有する樹脂材で覆うように構成されており、腰支持体３０及び上体フレーム２１０、バッテリ３２，３４、制御ユニット３６等の質量を支えることができる。すなわち、動作補助装置１０は、腰支持体３０、バッテリ３２，３４、制御ユニット３６及び上体フレーム２１０、防護服１４、頭部保護具１６の質量が装着者１２に作用しないように構成されている。
【００５２】
腰支持体３０は、内周面中央に装着者１２の腰後部（背面）に当接するフィッティング部３１を有する金属材からなる腰サポート部１１０と、腰サポート部１１０の両端にヒンジを介して連結されたベルト１２０，１２１と、一方のベルト１２０の端部に取り付けられたバックル１２２と、他方のベルト１２１の端部に取り付けられた係止用金具１２４とを有する。
【００５３】
腰支持体３０を装着者１２の腰に装着する際は、腰サポート部１１０の内側に設けられたフィッティング部３１に腰の背面側を当接させた状態でバックル１２２の挿入口に係止用金具１２４を挿入して係止させる。そして、ベルト１２０，１２１の長さを装着者１２のお腹の大きさに応じた長さに調整する。これにより、腰支持体３０は、装着者１２の腰回りの外周にほぼ密着した保持状態となる。尚、バックル１２２は、自動車のシートベルトと同様な構成になっており、係止解除部を操作することにより係止用金具１２４の係止を解除することができるように構成されている。
〔制御システムの構成〕
図５は制御部のシステム構成を示すブロック図である。図５に示されるように、動作補助装置１０の制御系システムは、装着者１２に対してアシスト力を付与する駆動部１４０と、装着者１２の動作に応じた関節角度（物理現象）、及び、装着者１２の重心位置（物理現象）を検出する物理現象検出部１４２と、装着者１２の筋肉の活動に伴って発生する筋電位等を含む（生体信号）を検出する生体信号検出部１４４とを備えている。尚、上記駆動部１４０は、駆動モータ２０，２２，２４，２６からなる。物理現象検出部１４２は、上記関節回動角度を検出する角度センサ７０，７２，７４，７６(図６参照)及び床反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂからなる。生体信号検出部１４４は、生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂからなる。
【００５４】
データ格納部１４６には、基準パラメータデータベース１４８と、指令信号データベース１５０とが格納されている。随
随意的制御部１５４は、生体信号検出部の検出信号に応じた指令信号を電力増幅部１５８に供給する。随意的制御部１５４は、生体信号検出部１４４に所定の指令関数f（t）またはゲインＰを適用して指令信号を生成する。このゲインＰは予め設定された値又は関数でも良く、ゲイン変更部１５６を介して調整することができる。
【００５５】
また、装着者１２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１４４からの生体信号の入力が得られないときに、物理現象検出部１４２により検出された各データ（角度センサ７０，７２，７４，７６(図６参照)により検出された関節角度データ又は反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂにより検出された重心移動データ）に基づいて各駆動モータ２０，２２，２４，２６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。
【００５６】
物理現象検出部１４２によって検出された関節角度（θknee,θhip）や重心位置は、基準パラメータデータベース１４８に入力される。フェーズ特定部１５２では、物理現象検出部１４２により検出された関節角度及び重心位置を基準パラメータデータベース１４８に格納された基準パラメータの関節角度及び重心位置と比較することにより、装着者１２の動作のフェーズを特定する。
【００５７】
そして、自律的制御部１６０では、フェーズ特定部１５２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、この動力を駆動部１４０に発生させるための指令信号を電力増幅部１５８に供給する。
〔各制御機器の接続系統〕
図６は各制御機器の接続を示すブロック図である。図６に示されるように、バッテリ３２，３４は、電源回路８６に電源供給しており、電源回路８６では所定電圧に変換して入出力インターフェイス８８に定電圧を供給する。また、バッテリ３２，３４の充電容量は、バッテリ充電警告部９０によって監視されており、バッテリ充電警告部９０は、予め設定された残量に低下すると、警告を発して装着者１２にバッテリ交換または充電を報知する。
【００５８】
各駆動モータ２０，２２，２４，２６を駆動する第１乃至第４モータドライバ９２〜９５は、入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００からの制御信号に応じた駆動電圧を増幅して各駆動モータ２０，２２，２４，２６に出力する。
【００５９】
各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂから出力された生体電位信号の検出信号は、電力増幅部１５８の第１乃至第８差動増幅器１０１〜１０８によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によってデジタル信号に変換されて入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。尚、装着者１２の皮膚表面で検出される生体電位信号は、微弱である。そのため、第１乃至第８差動増幅器１０１〜１０８で例えば、３０μＶの検出信号をコンピュータが判別可能な３Ｖ程度に増幅するには、１０５倍となる１００dBの増幅率が必要になる。
【００６０】
また、角度センサ７０，７２，７４，７６から出力された角度検出信号は、夫々第１乃至第４角度検出部１１１〜１１４に入力される。第１乃至第４角度検出部１１１〜１１４は、ロータリエンコーダによって検出されたパルス数を角度に相当する角度データ値に変換しており、検出された回動角度データは入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。
【００６１】
反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂから出力された反力検出信号は、夫々第１乃至第４反力検出部１２１〜１２４に入力される。第１乃至第４反力検出部１２１〜１２４は、圧電素子によって検出された電圧を力に相当するデジタル値に変換しており、検出された反力データは入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。
【００６２】
データ格納部１４６のメモリ１３０は、各データを格納する格納部であり、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１３０Ａと、各モ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１３０Ｂなどが設けられている。データベース格納領域１３０Ａには、図５に示す基準パラメータデータベース１４８と指令信号データベース１５０が格納されている。
【００６３】
また、制御装置１００から出力された制御データは、入出力インターフェイス８８を介してデータ出力部１３２あるいは通信ユニット１３４に出力され、例えば、モニタ（図示せず）に表示したり、あるいはデータ監視用コンピュータ（図示せず）などにデータ通信で転送することもできる。
【００６４】
また、制御装置１００は、前述した自律的制御部１６０と、フェーズ特定部１５２と、差分導出部１５４と、ゲイン変更部１５６とを備えている。
〔角度センサの検出信号を用いて制御装置１００が実行する制御処理〕
ここで、制御装置１００が実行する制御処理の手順について図７Ａのフローチャートを参照して説明する。図７Ａに示されるように、制御装置１００は、ステップＳ１１（以下「ステップ」を省略する）で装着者１２の動作に伴う物理現象検出部１４２（角度センサ７０，７２，７４，７６）により検出された関節角度（θknee,θhip）を取得する。次にＳ１２に進み、生体信号検出部１４４（生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ）によって検出された筋電位信号(EMGknee,EMGhip)を取得する。
【００６５】
次のＳ１２ａでは、生体信号検出部１４４からの生体検出信号が検出できているか否かをチェックする。Ｓ１２ａにおいて、生体信号検出部１４４からの生体検出信号が検出できていない場合（ＮＯの場合）（例えば、生体信号センサが装着者１２の汗で剥がれている場合、あるいは生体信号センサを装着していない場合、生体信号検出部１４４からの筋電位信号が得られない。）、Ｓ１３に進み、上記Ｓ１１、Ｓ１２で取得された関節角度（θknee,θhip）及び重心位置を基準パラメータデータベース１４８と照合して装着者１２の各動作種別に対応するタスクのフェーズ(動作段階)を特定する。
【００６６】
次のＳ１４では、上記Ｓ１３で特定されたフェーズ(動作段階)に応じた指令関数f(t)及びゲインＰを選択する。
【００６７】
そして、Ｓ１５では、選択されたゲインＰにより生成された指令信号（制御信号）が、電力増幅部１５８（モータドライバ９２〜９５）に供給される。これにより、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）は、駆動トルクを発生することになる。
【００６８】
その結果、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）は、装着者１２から検出した関節角度及び重心位置に基づいて選択されたフェーズに応じた駆動トルクを発生し、この駆動トルクを第１下フレーム５８、第２下フレーム６０及び第１締結ベルト７８、第２締結ベルト８０を介して装着者１２の脚にアシスト力として伝達する。
【００６９】
このように、装着者１２の関節角度と重心位置に基づいてアシストを行うので、装着者１２は、生体検出信号が得られなくても駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）からの駆動トルクによるアシスト力を付与されて労力が軽減される。
【００７０】
例えば、装着者１２が防護服１４及び頭部保護具１６を着用した状態で階段を上る場合には、指令関数f（t）に応じた駆動力を発生させてアシストする。このような場合には、上の段についた脚は、股関節及び膝関節の角度が平地を歩行する場合よりも屈曲した状態で着地することになる、従って、例えば股関節及び／又は膝関節の屈折角度が８０°〜１００°の時に、床半力センサの検出値が所定の値以上になったら、階段を上るフェーズであると判断し、膝関節及び股関節の角度の伸展に合わせて駆動トルクを発生させる。
【００７１】
また、階段を下りるフェーズ、立ち上がりのフェーズ、座りのフェーズであると判断した場合にも、所定の指令関数f（t）に従って駆動力を発生させてアシストをする。
【００７２】
なお、装着者１２が、平地を歩行している場合には負担が比較的小さいので、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）によるアシストが無くても作業効率は低下しない。従って、一般的な歩行のフェーズであると判断したときには、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）は装着者１２の動作を阻害しないように、駆動モータ自体の粘性を補償するように駆動される。
【００７３】
Ｓ１６では、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理が行われてかどうかを確認する。Ｓ１６において、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理が残っている場合には、上記Ｓ１１に戻り、次のフェーズに対する制御処理（Ｓ１１〜Ｓ１６）を行う。また、Ｓ１６において、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理を行ったときは、今回の制御処理を終了する。
【００７４】
このように、動作補助装置１０は、上体フレーム２１０に防護服１４及び頭部保護具１６を着用した状態でも駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）からの駆動トルクが第１下フレーム５８、第２下フレーム６０及び第１締結ベルト７８、第２締結ベルト８０を介して装着者１２の脚に伝達されるため、装着者１２は例えば階段を上る際でも通常の半分以下の力で動作することが可能になる。さらに、作業に必要な機材を上体フレーム２１０で支えることで装着者１２は、余計な労力を使わずに作業効率を上げることが可能になる。
【００７５】
このように、生体信号センサが装着者１２の汗で剥がれているような場合、あるいは生体信号センサを装着していない場合には、角度センサ７０，７２，７４，７６によって検出された関節回動角度に基づいて装着者１２が階段や段差を上っている場合に駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）からの駆動トルクを付与することで装着者１２の労力を軽減して、作業効率を高めることができる。また、制御装置１００が装着者１２の動作に応じて駆動部１４０の駆動トルクを制御するため、装着者１２が歩行する際にも防護服１４や頭部保護具１６の質量を感じることなく、歩行することが可能になり、体力の消耗を抑制できると共に、防護服１４を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
〔生体信号を用いて制御装置１００が実行する制御処理〕
図７Ｂは生体信号センサの検出信号を用いて制御部が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。図７Ｂに示されるように、Ｓ１２ａにおいて、例えば、装着者１２が生体信号センサを適正に装着している場合、生体信号検出部１４４からの生体電位信号を得ることができる。その場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１８に進み指令関数f(t)及びゲインＰに基づいて、生体電位信号に応じた指令信号を生成する。
【００７６】
次のＳ１９では、指令信号を電力増幅部１５８（モータドライバ９２〜９５）に送出する。これにより、装着者１２には、生体検出信号に応じたアシスト力を付与されて労力が軽減される。
【００７７】
Ｓ２０では、ゲイン変更部による入力があったかどうか確認する。Ｓ２０において、ゲイン変更部による入力があった場合には、上記Ｓ１８に戻り、変更後のゲインＰにより制御処理（Ｓ１８〜Ｓ２０）を行う。また、Ｓ２０において、ゲイン変更部による入力が無かったときは、今回の制御処理を終了する。
【００７８】
このように、生体信号センサにより生体電位信号が検出できる場合には、生体電位信号に基づいて装着者１２の意思に応じて駆動トルクを付与することで装着者１２の労力を軽減して、作業効率を高めることができる。また、制御装置１００が装着者１２の動作に応じて駆動部１４０の駆動トルクを制御するため、装着者１２が歩行する際にも防護服１４や頭部保護具１６の質量を感じることなく、歩行することが可能になり、体力の消耗を抑制できると共に、防護服１４を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
〔変形例１〕
図８は上体フレームの変形例２を示す斜視図である。図８に示されるように、変形例１の上体フレーム２１０Ａは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の後側フレーム２２５，２３５がＸ字状に交差している。後側フレーム２２５，２３５は、端部２２３，２３３が円形のフレーム結合部２５０Ａに結合されている。フレーム結合部２５０Ａは、腰支持体３０の外周面に回動可能に連結された回動部２５１と、回動部２５１に固定されたパイプ嵌合部２５２とを有する。
【００７９】
また、パイプ嵌合部２５２には、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の端部２２１，２２３，２３１，２３３が嵌合固定されている。そして、回動部２５１は、腰支持体３０の外周面に対して回動することにより、パイプ嵌合部２５２及び第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の端部２２１，２２３，２３１，２３３を回動させることが可能である。
【００８０】
さらに、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の前側フレーム２２６，２３６間には、連結部２４０Ａが連結されている。連結部２４０Ａは、前側フレーム２２６より水平方向に延在する右ねじ部２４１と、前側フレーム２３６より水平方向に延在する左ねじ部２４２と、一端が右ねじ部２４１に螺合され他端が左ねじ部２４２が螺合された雌ねじ部２４３とを有する。
【００８１】
すなわち、連結部２４０Ａは、ターンバックルと同じ構造であり、逆ねじに形成された右ねじ部２４１及び左ねじ部２４２に螺合された雌ねじ部２４３を右回り又は左回りに回動させることによって、右ねじ部２４１及び左ねじ部２４２が雌ねじ部２４３の内側に移動するか、あるいは雌ねじ部２４３の外側に移動する。これにより、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０は、左右方向の離間距離が調整されると共に、フレーム結合部２５０Ａが回動して肩支持部２２２、２３２の高さ位置及び左右方向位置が調整される。
【００８２】
例えば、装着者１２の体格が各人によって異なる場合、上記雌ねじ部２４３を回動操作することで、肩支持部２２２、２３２の高さ位置及び左右方向位置を当該装着者１２の肩の位置に応じて適宜調整することができる。尚、連結部２４０Ａは、装着者１２自身が操作して腰支持体３０に対する肩支持部２２２、２３２の位置を調整することが可能であるので、防護服１４が第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０に支持された状態であっても簡単に肩支持部２２２、２３２の高さ位置及び左右方向位置を調整できる。
【００８３】
また、連結部２４０Ａは、前側フレーム２２６，２３６の左右方向の離間距離及び後側フレーム２２５，２３５の回動角度を調整する調整機構であり、調整終了後は、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の調整位置を固定するロック機構としても機能する。
〔変形例２〕
図９は上体フレームの変形例２を示す斜視図である。図９に示されるように、変形例２の上体フレーム２１０Ｂは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２から左右方向に突出する肩保護部２２４，２３４が設けられている。肩保護部２２４，２３４は、装着者１２の肩の上方に離間する高さに配され、上面側には複数の永久磁石２６０が埋設されている。
【００８４】
そして、防護服１４の肩部内側には、鉄板などの磁性材を取り付ける。そのため、防護服１４を着用すると、肩保護部２２４，２３４の上面側に配された複数の永久磁石２６０の磁力によって防護服１４の肩部が吸着される。
【００８５】
従って、防護服１４は、肩部が装着者１２に接触していなくてもずれることが防止され、肩保護部２２４，２３４の上面側に配された複数の永久磁石２６０の磁力によって保持されるため、例えば荷物を肩に背負う場合でも肩部がずれないので、作業を支障なく行える。
〔変形例３〕
図１０は上体フレームの変形例３を示す斜視図である。図１０に示されるように、変形例３の上体フレーム２１０Ｃは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２から左右方向に突出する肩保護部２２４，２３４が設けられている。肩保護部２２４，２３４は、肩保護部２２４，２３４に固定された支持部２２７，２３７により、前後方向に回動可能に支持され、且つ左右方向に延在する第１アーム２７０、第２アーム２８０を支持している。
【００８６】
第１アーム２７０、第２アーム２８０は、防護服１４の両袖に挿入され、防護服１４の各袖を上方に持ち上げるようにバネ力を作用させるリンク機構からなる構成である。第１アーム２７０と第２アーム２８０とは、同一構成であるので、以下、第１アーム２７０の構成について説明する。
【００８７】
第１アーム２７０は、肩保護部２２４の下面側に連結された第１関節２７１により上下方向に回動可能に支持された第１リンク機構２７２と、第１リンク機構２７２の先端の第２関節２７３により上下方向に回動可能に支持された第２リンク機構２７４とを有する。また、第２リンク機構２７４の先端には、防護服１４の袖を上方に持ち上げる当接片２７５が支持されている。
【００８８】
第１リンク機構２７２及び第２リンク機構２７４は、２本平行リンクをコイルバネ２７６、２７７のバネ力によりバランスさせて静止するように構成されている。従って、第１アーム２７０、第２アーム２８０は、装着者１２が上体フレーム２１０Ｃの上から着用された防護服１４の袖に通されると、防護服１４の袖を上方に持ち上げることができると共に、装着者１２の腕の動きに応じて上下方向に回動するため、装着者１２の作業を妨げずに防護服１４の袖の荷重を支えることができる。よって、上体フレーム２１０Ｃは、装着者１２の腕の動きを規制することなく、装着者１２の労力を軽減することが可能になる。
〔変形例４〕
図１１は上体フレームの変形例４を示す斜視図である。図１１に示されるように、変形例４の上体フレーム２１０Ｄは、肩保護部２２４，２３４に固定された支持部２２７，２３７により、前後方向に回動可能に支持され、且つ左右方向に延在する第１アーム２７０Ａ、第２アーム２８０Ａを支持している。第１アーム２７０Ａと第２アーム２８０Ａとは、同一構成であるので、以下、第１アーム２７０Ａの構成について説明する。
【００８９】
第１アーム２７０Ａは、中空の金属パイプよりなり、内部の中空部にはワイヤＷが挿通されている。また、支持部２２７及び第１アーム２７０Ａ、第２アーム２８０Ａの各関節２７１Ａ，２７３Ａには、ワイヤＷが巻き掛けされるプーリ２２７ａ、２７１ａ、２７３ａが収納されている。
【００９０】
また、ワイヤＷの先端は当接片２７５に結合され、ワイヤＷの基端はコイルバネ２７８の上端に結合されている。さらに、コイルバネ２７８の下端は、金属ロッド２７９に結合されている。金属ロッド２７９は、第１上フレーム２２０の端部２２３内に摺動可能に挿通されており、上下方向の係止位置を調整可能に取り付けられている。従って、金属ロッド２７９の上下方向の係止位置を調整することにより、コイルバネ２７８のバネ力を調整することができる。
【００９１】
従って、第１アーム２７０Ａ、第２アーム２８０Ａは、装着者１２が上体フレーム２１０Ｄの上から着用された防護服１４の袖に通されると、防護服１４の袖を上方に持ち上げることができると共に、装着者１２の腕の動きに応じて上下方向に回動するため、装着者１２の作業を妨げずに防護服１４の袖の荷重を支えることができる。よって、上体フレーム２１０Ｄは、装着者１２の腕の動きを規制することなく、装着者１２の労力を軽減することが可能になる。また、上体フレーム２１０Ｄは、コイルバネ２７８が内部に挿入されて外部に露出しない構成であるので、装着者１２が動作する際にコイルバネ２７８に接触せず、作業の妨げにならないように構成されている。
〔変形例５〕
図１１は上体フレームの変形例５を示す斜視図である。図１１に示されるように、変形例４の上体フレーム２１０Eは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２の上方に頭部保護フレーム２９０が溶接により固定されている。
【００９２】
頭部保護フレーム２９０は、装着者１２の頭部を跨ぐように形成された２本の保護パイプ２９１，２９２と、保護パイプ２９１，２９２間を連結する連結部２９３，２９４とを有する。
また、頭部保護フレーム２９０の保護パイプ２９１，２９２は、左右の支持部２２２、２３２を跨ぐように台形状に形成されており、頭部保護具１６の内側形状に対応している。そのため、頭部保護具１６を頭部保護フレーム２９０に被せることで、頭部保護部１６の質量は、頭部保護フレーム２９０によって支えられる。これにより、装着者１２は、頭部保護部１６の質量を全く気にせずに作業を行うことができ、よって、上体フレーム２１０Eは、装着者１２の頭部の負担を軽減して、装着者１２の労力を軽減することが可能になる。また、頭部保護具１６の質量が装着者１２に作用しないため、装着者１２の頭部の負担を軽減して体力の消耗を抑制できると共に、防護服１４を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
〔変形例６〕
図１３は上体フレームの変形例６を示す斜視図である。図１３に示されるように、上体フレーム２１０Fは、防護服１４の内側から装着者１２を冷却する冷却ユニット３００（冷却部）が設けられている。
【００９３】
冷却ユニット３００は、装着者１２の背中に対向するように配された冷却袋３１０と、冷却袋３１０に冷却液を供給する冷却用熱交換器３２０とを有する。冷却袋３１０は、樹脂製の袋からなり、内部に複数の流路が格子状に形成されている。また、冷却袋３１０は、後側フレーム２２５，２３５と、後側フレーム２２５，２３５間を連結する連結部２４０とによって画成された空間内に収納されている。そのため、冷却袋３１０の内側は、装着者１２の背中に対向する位置に保持される。
【００９４】
冷却用熱交換器３２０は、例えば印加電圧によって温度を変化させる特性をもつペルチェ素子等からなり、頭部保護フレーム２９０に支持されたベース３３０に搭載されている。また、冷却用熱交換器３２０には、冷却液を循環させるためのポンプを有している。
【００９５】
頭部保護フレーム２９０及び後側フレーム２２５，２３５及び連結部２４０は、中空パイプにより形成されており、内部の中空部分が冷却液の流路になっている。連結部２４０は、冷却袋３１０の流入口、流出口に接続されており、冷却用熱交換器３２０から送液された冷却液を冷却袋３１０に供給する。また、冷却袋３１０から排出された冷却液は、後側フレーム２３５及び頭部保護フレーム２９０の内部に形成された流路を通過して冷却用熱交換器３２０に戻されて再度冷却される。
【００９６】
また、頭部保護フレーム２９０及び後側フレーム２２５，２３５及び連結部２４０も冷却液の循環により冷却されるため、冷却袋３１０と共に、防護服１４の内側を冷却することができる。
【００９７】
冷却用熱交換器３２０は、動作補助装置１０のバッテリ３２，３４からの電源供給により作動する。また、冷却用熱交換器３２０は、防護服１４の内部温度を温度センサにより測定し、測定された温度が所定以上に上昇した場合に冷却液を循環させるように制御される。
【００９８】
これにより、防護服１４の内側の温度が作業に適した温度を保つように温度制御することが可能になり、装着者１２が温度上昇により疲労することを防止できる。よって、上体フレーム２１０Fは、装着者１２の体温の上昇を抑制して、装着者１２の疲労を軽減することが可能になる。
【００９９】
また、装着者１２の体温の上昇を抑制することで、装着者が脱水状態になることを防止でき、湿度の高い作業環境下での作業時間の延長が可能になる。
〔変形例７〕
図１４は上体フレームの変形例７を示す斜視図である。図１４に示されるように、変形例７の上体フレーム２１０Gは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２の上方に頭部保護フレーム２９０が溶接により固定されている。また、上体フレーム２１０Ｆの背側の２本の連結部２４０には、空気ボンベ４００がベルト４０２により取り付けられている。
【０１００】
空気ボンベ４００は、金属または複合材により形成された容器であり、内部には圧縮空気が充填されている。また、空気ボンベ４００の上端には、電磁弁４１０が取り付けられている。
【０１０１】
さらに、電磁弁４１０は、空気チューブ４２０を介して装着者１２が顔に装着するマスクに接続され、且つ頭部保護フレーム２９０にも接続されている。頭部保護フレーム２９０の保護パイプ２９１，２９２の内側（装着者１２の頭部に対向する側）に複数の空気噴射孔４３０が設けられている。
【０１０２】
複数の空気噴射孔４３０は、電磁弁４１０の開弁により圧縮空気が供給され、装着者１２の頭部に空気を噴射して頭部を空冷する冷却部を構成している。
【０１０３】
また、電磁弁４１０は、頭部保護具１６の内部温度を温度センサにより測定し、測定された温度が所定以上に上昇した場合に空気を噴射させるように制御される。
【０１０４】
これにより、頭部保護具１６の内側の温度が作業に適した温度を保つように温度制御することが可能になり、装着者１２が温度上昇により疲労することを防止できる。また、頭部保護具１６の内部は、首から防護服１４の内側にも連通されているので、複数の空気噴射孔４３０から噴射された空気は、装着者１２の頭部を冷却した後、防護服１４の内側にも流入して防護服１４全体を冷却する。よって、上体フレーム２１０Ｆは、装着者１２の体温の上昇を抑制して、装着者１２の疲労を軽減することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
尚、防護服としては、放射線や化学薬品に限らず、例えば、火災やガスなどから防護するものも含まれる。
【０１０６】
また、防護服は、上着とズボンとが分かれるタイプでも良いし、一体となったつなぎでも良い。
【符号の説明】
【０１０７】
１０ 装着式動作補助装置
１２ 装着者
１４ 防護服
１４Ａ 上着
１４Ｂ ズボン
１６ 頭部保護具
１６ａ 頭部
１６ｂ 鍔部
１７ 保護シールド
１８ フレーム構造
２０，２２，２４，２６ 駆動モータ
３０ 腰支持体
３２，３４ バッテリ
３１ フィッティング部
３６ 制御ユニット(制御部)
３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ 生体信号検出センサ
５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ 床反力センサ
５４ 右脚補助フレーム部
５５ 左脚補助フレーム部
５８ 第１下フレーム
６０ 第２下フレーム
６２ 第３下フレーム
６４ 第１関節
６６ 第２関節
７０，７２，７４，７６ 角度センサ
７８ 腿締結部材
７９、８１ フィッティング部
８０ 脛締結部材
８４ 靴
８６ 電源回路
８８ 入出力インターフェイス
９０ バッテリ充電警告部
９２〜９５ モータドライバ
１００ 制御装置
１０１〜１０８ 差動増幅器
１１０ 腰サポート部
１１１〜１１４ 角度検出部
１２０、１２１ ベルト
１２１〜１２４ 反力検出部
１３０ メモリ
１３０Ａ データベース格納領域
１３０Ｂ 制御プログラム格納領域
１３２ データ出力部
１３４ 通信ユニット
１４０ 駆動部
１４２ 物理現象検出部
１４４ 生体信号検出部
１４６ データ格納部
１４８ 基準パラメータデータベース
１５０ 指令信号データベース
１５２ フェーズ特定部
１５４ 差分導出部
１５６ ゲイン変更部
１５８ 電力増幅部
１６０ 自律的制御部
２００ 腰部連結機構
２１０、２１０Ａ〜２１０G 上体フレーム
２２０ 第１上フレーム
２２１，２２３，２３１，２３３ 端部
２２２、２３２ 肩支持部
２２４，２３４ 肩保護部
２２５，２３５ 後側フレーム
２３０ 第２上フレーム
２４０、２４０Ａ 連結部
２５０、２５０Ａ フレーム結合部
２５１ 回動部
２５２ パイプ嵌合部
２４１ 右ねじ部
２４２ 左ねじ部
２４３ 雌ねじ部
２６０ 永久磁石
２７０、２７０Ａ 第１アーム
２８０、２８０Ａ 第２アーム
２７１、２７１Ａ 第１関節
２７１ａ、２７３ａ プーリ
２７２ 第１リンク機構
２７３、２７３Ａ 第２関節
２７４ 第２リンク機構
２７５ 当接片
２７８ コイルバネ
２７９ 金属ロッド
２９０ 頭部保護フレーム
２９１，２９２ 保護パイプ
２９３，２９４ 連結部
３００ 冷却ユニット
３１０ 冷却袋
３２０ 冷却用熱交換器
３３０ ベース
４００ 空気ボンベ
４１０ 電磁弁
４２０ 空気チューブ
４３０ 空気噴射孔
Ｗ ワイヤ
【技術分野】
【０００１】
本発明は装着式動作補助装置に係り、特に防護服を装着した場合の動作支援を行えるよう構成された装着式動作補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、放射線や化学薬品などの作業者に悪影響を与えるような事故現場においては、作業者は環境から身体への影響を遮蔽する防護服を着用して作業を行うことになる（例えば、特許文献１参照）。このような防護服は、例えば、放射線を遮蔽する鉛又はタングステンなどの金属板が主に作業者の胴体を囲むように取り付けられている。また、防護服を形成する素材自体も厚手のものとなり、防護服の質量はおよそ２０Ｋｇ〜３０Ｋｇにもなる。
【０００３】
また、放射線に汚染された空気が充満する室内や化学薬品が流出し、有毒ガスが発生するような環境下で作業する場合には、防護服を着用した上、鉄製の酸素ボンベを背中に背負うことになる。空気ボンベは、空気の充填可能容量によって大きさが異なり、およそ５Ｋｇ〜８Ｋｇの質量がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９６３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、防護服や空気ボンベ等の装具の全質量が作業者に作用した状態であるので、作業者は防護服や空気ボンベの荷重を支えながら作業を行うことになり、体力の消耗が激しく、且つ体温上昇や発汗による脱水症状により、短時間（例えば１０分〜２０分程度）しか作業が行えないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、装具荷重による作業者の負担を軽減することで上記課題を解決した装着式動作補助装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、装着者の腰に装着される腰支持体と、
該腰支持体の右側を支持するように結合された右脚補助部と、
前記腰支持体の左側を支持するように結合された左脚補助部と、
前記装着者の関節に対応するように前記右脚補助部及び前記左脚補助部に配された複数の駆動部と、
前記複数の駆動部を制御する制御部とを有する装着式動作補助装置において、
前記装着者の上体を囲むように形成された上体フレームを前記腰支持体に設け、
前記上体フレームは、当該装着者が装着する防護服の肩部を支持することを特徴とする。
（２）本発明の前記上体フレームは、前記装着者の上体と非接触となる形状に形成されていることを特徴とする。
（３）本発明の前記上体フレームは、金属パイプにより形成され、端部が前記腰支持体に固定された結合部に結合されることを特徴とする。
（４）本発明の前記上体フレームは、当該装着者の肩に対応する肩支持部を有し、前記防護服の肩部を前記肩支持部により支持することを特徴とする。
（５）本発明の前記上体フレームは、端部が前記腰支持体に対して回動可能に結合され、前記防護服の肩部の位置に応じて当接位置が調整されるように設けられたことを特徴とする。
（６）本発明の前記上体フレームの当該装着者の肩に対応する位置に、前記防護服の袖を支持するように構成された袖支持部を設けたことを特徴とする。
（７）本発明の前記上体フレームに、前記防護服の内側を冷却する冷却部を設けたことを特徴とする。
（８）本発明の前記上体フレームに、当該装着者の頭部に装着される頭部保護具を支持する頭部支持フレームを設けたことを特徴とする。
（９）本発明の前記上体フレームは、
当該装着者の右側に位置する第１フレームと、
当該装着者の左側に位置する第２フレームと、
前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する連結部とを有することを特徴とする。
（１０）本発明は、前記右脚補助部及び前記左脚補助部に各関節の回動角度を検出する角度センサを設け、
前記制御部は、前記角度センサにより検出された角度検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御することを特徴とする。
（１１）本発明は、前記装着者の右脚、左脚の生体信号を検出する生体信号検出センサを設け、
前記制御部は、前記生体信号検出センサにより検出された生体信号検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、装着者の上体を囲むように形成された上体フレームを腰支持体に設け、上体フレームが当該装着者が装着する防護服の肩部を支持するため、防護服の質量が装着者に作用せず、装着者の負担を軽減して体力の消耗を抑制できると共に、防護服を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
【０００９】
また、上体フレームに冷却部を設けるため、装着者の体温の上昇を抑制することで、装着者が脱水状態になることを防止でき、湿度の高い作業環境下での作業時間の延長が可能になる。
【００１０】
また、上体フレームに当該装着者の頭部に装着される頭部保護具を支持する頭部支持フレームを設けるため、頭部保護具の質量が装着者に作用せず、装着者の頭部の負担を軽減して体力の消耗を抑制できると共に、防護服を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
【００１１】
また、制御部が装着者の動作に応じて駆動部の駆動トルクを制御するため、装着者が歩行する際にも防護服や頭部保護具の質量を感じることなく、歩行することが可能になり、体力の消耗を抑制できると共に、防護服を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による装着式動作補助装置の一実施例を用いて防護服及び頭部保護具を装着した状態を示す斜視図である。
【図２】装着式動作補助装置を斜め前側からみた斜視図である。
【図３】装着式動作補助装置を斜め後側からみた斜視図である。
【図４】装着式動作補助装置の脚部フレーム構造を示す斜視図である。
【図５】制御部のシステム構成を示すブロック図である。
【図６】各制御機器の接続を示すブロック図である。
【図７Ａ】生体検出信号を用いて制御部が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。
【図７Ｂ】角度センサの検出信号を用いて制御部が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】上体フレームの変形例１を示す斜視図である。
【図９】上体フレームの変形例２を示す斜視図である。
【図１０】上体フレームの変形例３を示す斜視図である。
【図１１】上体フレームの変形例４を示す斜視図である。
【図１２】上体フレームの変形例５を示す斜視図である。
【図１３】上体フレームの変形例６を示す斜視図である。
【図１４】上体フレームの変形例７を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【実施例１】
【００１４】
〔装着式動作補助装置と防護服との関係について〕
図１は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を用いて防護服及び頭部保護具を装着した状態を示す斜視図である。図２は装着式動作補助装置を斜め前側からみた斜視図である。図３は装着式動作補助装置を斜め後側からみた斜視図である。
【００１５】
図１乃至図３に示されるように、装着者１２は、装着式動作補助装置１０（以下「動作補助装置」と称する）が装着された状態で防護服１４及び頭部保護具１６を装着する。防護服１４は、装着者１２の上体を保護する上着１４Ａと、装着者１２の下半身を保護するズボン１４Ｂとからなる。防護服１４の上着１４Ａ及び頭部保護具１６には、放射線を遮蔽する鉛又はタングステンからなる遮蔽材が縫合されている。尚、防護服１４及び頭部保護具１６は、動作補助装置１０及び装着者１２の動作を妨げないように装着者１２の体格よりも大きいサイズのものを着用する。
【００１６】
頭部保護具１６は、帽子のように上方からかぶるように形成されており、頭部１６ａと、頭部１６ａの下部から周囲に延在する鍔部１６ｂとを有する。頭部１６ａは、装着者１２の頭の上方を囲むように形成されており、装着者１２に接触していない。そして、頭部保護具１６は、鍔部１６ｂが防護服１４の肩部に当接するため、頭部保護具１６の質量が装着者１２に作用しないように着用される。また、頭部１６ａの前側開口には、装着者１２の視界を確保するため、透明部材による保護シールド１７が設けられている。
【００１７】
動作補助装置１０は、腰支持体３０に当該装着者１２の上体を囲むように形成された上体フレーム２１０が取り付けられている。上体フレーム２１０は、例えば、ジュラルミンあるいはアルミニウム合金等の金属パイプからなり、装着者１２の上半身と非接触となるように大きく湾曲するように形成されている。また、上体フレーム２１０は、当該装着者１２の右側に位置する第１上フレーム２２０と、当該装着者１２の左側に位置する第２上フレーム２３０と、第１上フレーム２２０と第２上フレーム２３０との間を連結する連結部２４０とを有する。
【００１８】
第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０は、当該装着者１２の肩の上方を通過するように湾曲された肩支持部２２２、２３２を有する。また、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の各端部２２１，２２３，２３１，２３３は、腰支持体３０に形成された４箇所のフレーム結合部２５０に挿入結合される。
【００１９】
腰支持体３０は、後述するように外周側は金属材などの剛性を有する材料により形成され、その内側には弾性を有するクッション材が設けられている。
【００２０】
防護服１４を着用する際は、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２が防護服１４の肩部内側に当接する。従って、防護服１４の質量は、腰支持体３０に固定された上体フレーム２１０に支持され、装着者１２には作用しない。
【００２１】
さらに、腰支持体３０は、後述するフレーム構造１８により支持されている。そのため、動作補助装置１０は、当該装置１０及び防護服１４の質量が装着者１２の負担にならない構成になっている。よって、装着者１２は、防護服１４及び頭部保護具１６を装着した場合でもこれらの質量を殆ど感じることなく、動作(作業)することができる。
【００２２】
すなわち、動作補助装置１０によれば、防護服１４の質量が装着者１２に作用せず、装着者１２の負担を軽減して体力の消耗を抑制できると共に、防護服１４を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
〔装着式動作補助装置１０の構成〕
図２及び図３に示されるように、動作補助装置１０は、装着者の動作を支援（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）及び／又は当該装着者の関節の動作角度や重心位置などを検出し、この検出信号に基づいて駆動部からの駆動力を付与するように作動する。
【００２３】
動作補助装置１０及び防護服１４を装着した装着者１２は、自らの意思で歩行動作を行うと、その際に発生した生体信号及び／又は当該装着者の膝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動作補助装置１０から付与され、例えば、通常歩行で必要とされる筋力の半分の力で歩行することが可能になる。従って、装着者１２は、自身の筋力と駆動部（本実施例では、電動式の駆動モータを用いる）からの駆動トルクとの合力によって歩行することができる。
【００２４】
その際、動作補助装置１０は、歩行動作に伴う重心の移動に応じて付与されるアシスト力（モータトルク）が装着者１２の意思を反映するように制御している。そのため、動作補助装置１０の駆動部は、装着者１２の意思に応じて動作をアシストするように制御される。
【００２５】
また、動作補助装置１０は、歩行動作以外にも、例えば、装着者１２が椅子に座った状態から立ち上がる際の動作、あるいは立った状態から椅子に腰掛ける際の動作も補助することができる。さらには、装着者１２が階段を上がったり、階段を下りる場合にもパワーアシストすることができる。特に装着者１２が防護服１４及び頭部保護具１６を着用している、さらに背中に酸素ボンベを背負っている場合には、階段の上り動作や、椅子から立ち上がる動作を行うことが難しいが、装着者１２は、自らの意思に応じて動作補助装置１０から駆動トルクを付与されて動作することが可能になる。
【００２６】
ここで、動作補助装置１０の構成の一例について説明する。動作補助装置１０は、装着者１２に装着されるフレーム構造１８に駆動部を設けたものである。駆動部としては、装着者１２の右側股関節に位置する右腿駆動モータ２０と、装着者１２の左側股関節に位置する左腿駆動モータ２２と、装着者１２の右膝関節に位置する右膝駆動モータ２４と、装着者１２の左膝関節に位置する左膝駆動モータ２６とを有する。これらの駆動モータ２０，２２，２４，２６は、制御ユニット(制御部)３６からの制御信号により駆動トルクを制御されるＤＣモータまたはＡＣモータなどからなる電動モータからなる。また、各駆動モータ２０，２２，２４，２６は、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構（駆動部に内蔵）を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。また、駆動モータ２０，２２，２４，２６としては、設置スペースが小さく済むように薄型化された超音波モータを用いても良いのは勿論である。
【００２７】
また、装着者１２の腰の周囲に装着される腰支持体３０には、駆動モータ２０，２２，２４，２６を駆動させるための電源として機能するバッテリ３２，３４が取り付けられている。バッテリ３２、３４は、充電式バッテリであり、装着者１２の歩行動作を妨げないように左右に分散配置されている。
【００２８】
また、装着者１２の背面側となる腰支持部３０の後側には、制御ユニット(制御部)３６が取り付けられている。
【００２９】
そして、動作補助装置１０は、装着者１２の右腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂと、装着者１２の左腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ４０ａ，４０ｂと、右膝の動きに関わる生体電位を検出する生体信号検出センサ４２ａ，４２ｂと、左膝の動きに関わる生体電位を検出する生体信号検出センサ４４ａ，４４ｂとを有する。
【００３０】
これらの各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、筋電位信号や神経伝達信号などの生体電位信号(生体信号)を皮膚を介して検出する生体信号検出部であり、微弱電位を検出するための電極（図示せず）を有する。尚、本実施例では、各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、電極の周囲を覆う粘着シールにより装着者１２の皮膚表面に貼着するように取り付けられる。
【００３１】
人体においては、脳からの指令によって骨格筋を形成する筋肉の表面にシナプス伝達物質のアセチルコリンが放出される結果、筋線維膜のイオン透過性が変化して活動電位が発生する。そして、活動電位によって筋線維の収縮が発生し、筋力を発生させる。そのため、骨格筋の電位を検出することにより、歩行動作の際に生じる筋力を推測することが可能になり、この推測された筋力に基づく仮想トルクから歩行動作に必要なアシスト力(駆動トルク)を求めることが可能になる。
【００３２】
従って、動作補助装置１０では、これらの生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂによって検出された生体信号に基づいて４個の駆動モータ２０，２２，２４，２６に供給する駆動電流を求め、この駆動電流で駆動モータ２０，２２，２４，２６を駆動することで、必要なアシスト力(駆動トルク)が付与されて装着者１２の歩行動作を補助するように構成されている。
【００３３】
また、歩行動作による重心移動をスムーズに行うため、脚の裏にかかる荷重を検出する必要がある。そのため、装着者１２の左右脚の裏には、床反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ（図２及び図３中、破線で示す）が設けられている。
【００３４】
また、床反力センサ５０ａは、右脚前側の荷重に対する反力を検出し、床反力センサ５０ｂは、右脚後側の荷重に対する反力を検出する。床反力センサ５２ａは、左脚前側の荷重に対する反力を検出し、床反力センサ５２ｂは、左脚後側の荷重に対する反力を検出する。各床反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂは、例えば、印加された荷重に応じた電圧を出力する圧電素子、又は、荷重に応じて静電容量が変化するセンサなどからなり、体重移動に伴う荷重変化、及び装着者１２の脚と地面との接地の有無を夫々検出することができる。また、左右の足裏に係る荷重のバランスから、重心位置を求めることができる。
【００３５】
図４はフレーム構造１８の装着前の状態を示す斜視図である。図４に示されるように、フレーム構造１８は、装着者１２の腰に装着される腰支持体３０と、腰支持体３０の右側から下方に設けられた右脚補助フレーム部５４と、腰支持体３０の左側から下方に設けられた左脚補助フレーム部５５とを有する。
【００３６】
腰支持体３０は、例えば剛性を有するジュラルミンやアルミ合金などの金属材により形成された腰サポート部１１０を有しており、その背面内側には、装着者１２の腰背面側との隙間をなくして密着するフィッティング部３１が取り付けられている。また、腰支持体３０の腰サポート部１１０の外側には、上体フレーム２１０を固定するための結合部２５０が一体的に設けられている。そして、フィッティング部３１は、スポンジ又は低反発樹脂材などからなり、装着者１２の腰背面側に当接して装着者１２の腰を保護する。
【００３７】
また、腰支持体３０の腰サポート部１１０は、剛性を有するため、荷重を支えるためのフレームとして機能しており、外周の４箇所にはフレーム結合部２５０が一体的に設けられている。
【００３８】
フレーム結合部２５０は、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の各端部２２１，２２３，２３１，２３３が挿入される挿入孔２５２を有する。第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０は、各端部２２１，２２３，２３１，２３３がフレーム結合部２５０の挿入孔２５２に挿入された後、その端部２２１，２２３，２３１，２３３の外周が各挿入孔２５２に溶接又はネジ等により固定又は締結される。
【００３９】
右脚補助フレーム部５４と左脚補助フレーム部５５とは、左右対称に配置されており、腰支持体３０に連結された腰部連結機構２００と、腰部連結機構２００より下方に延在し装着者１２の腿側方に沿うように形成された第１下フレーム５８と、第１下フレーム５８より下方に延在し装着者１２の脛側方に沿うように形成された第２下フレーム６０と、装着者１２の脚の裏（靴を履く場合には、靴底）が載置される第３下フレーム６２とを有する。
【００４０】
腰部連結機構２００の下端と第１下フレーム５８の上端との間には、軸受構造とされた第１関節６４が介在しており、腰部連結機構２００と第１下フレーム５８とを回動可能に連結している。この第１関節６４は、股関節と一致する高さ位置に設けられており、腰部連結機構２００が第１関節６４の支持側に締結され、第１下フレーム５８が第１関節６４の回動側に締結されている。また、第１関節６４は、駆動モータ２０，２２が内蔵されたモータユニットを構成しており、第１関節６４と駆動モータ２０，２２とは外観上一体化されている。
【００４１】
また、第１下フレーム５８の下端と第２下フレーム６０の上端との間には、軸受構造とされた第２関節６６が介在しており、第１下フレーム５８と第２下フレーム６０とを回動可能に連結している。この第２関節６６は、膝関節と一致する高さ位置に設けられており、第１下フレーム５８が第２関節６６の支持側に締結され、第２下フレーム６０が第２関節６６の回動側に締結されている。また、第２関節６６には、駆動モータ２４，２６が内蔵されたモータユニットを構成しており、第２関節６６と駆動モータ２４，２６とは外観上一体化されている。
【００４２】
また、第２下フレーム６０の下端と第３下フレーム６２の上端との間には、軸受構造とされた第３関節６８が介在しており、第２下フレーム６０と第３下フレーム６２とを回動可能に連結している。そして、第３下フレーム６２の内側には、装着者１２の足を装着する靴８４が固定されている。
【００４３】
従って、第１下フレーム５８及び第２下フレーム６０は、腰支持体３０に固定された腰部連結機構２００に対して第１関節６４及び第２関節６６を回動支点とする歩行動作を行えるように取り付けられている。すなわち、第１下フレーム５８及び第２下フレーム６０は、装着者１２の脚と同じ動作を行えるように構成されている。また、第３関節６８は、装着者１２の足首の側方に位置するように設けられている。そのため、靴８４は、第３関節６８の回動動作により歩行動作に応じて装着者１２の足首と同じように床面（または地面）に対する角度が変化する。
【００４４】
また、第１関節６４及び第２関節６６は、駆動モータ２０，２２，２４，２６の回転軸が、ギヤを介して被駆動側となる第１下フレーム５８、第２下フレーム６０に駆動トルクを伝達するように構成されている。
【００４５】
さらに、駆動モータ２０，２２，２４，２６は、関節回動角度を検出する角度センサ(図６参照)を有する。この角度センサは、例えば、第１関節６４及び第２関節６６の関節角度に比例したパルス数をカウントするロータリエンコーダなどからなり、関節回動角度に応じたパルス数に対応した電気信号をセンサ出力として出力する。
【００４６】
第１関節６４の角度センサは、装着者１２の股関節の関節角度に相当する腰支持体３０と第１下フレーム５８との間の回動角度を検出する。また、第２関節６６の角度センサは、装着者１２の膝関節の関節角度に相当する第１下フレーム５８の下端と第２下フレーム６０との間の回動角度を検出する。
【００４７】
また、第１下フレーム５８の長手方向の中間位置には、装着者１２の腿に締結されるベルト状の腿締結部材７８が取り付けられている。腿締結部材７８の内面側には、装着者１２の腿との隙間をなくして密着するフィッティング部７９が取り付けられている。
【００４８】
また、第２フレーム６０の長手方向の中間位置には、装着者１２の膝下の脛に締結されるベルト状の脛締結部材８０が取り付けられている。脛締結部材８０の内面側には、装着者１２の脛との隙間をなくして密着するフィッティング部８１が取り付けられている。
【００４９】
従って、駆動モータ２０，２２，２４，２６で発生された駆動トルクは、ギヤを介して第１下フレーム５８、第２下フレーム６０に伝達され、さらに腿締結部材７８、脛締結部材８０を介して装着者１２の脚にアシスト力として伝達される。
【００５０】
また、第２下フレーム６０の下端には、第３関節軸６８を介して靴８４が回動可能に連結されている。尚、第１下フレーム５８及び第２下フレーム６０は、装着者１２の脚の長さに応じた長さに調整されている。
【００５１】
各フレーム５８，６０，６２は、夫々ジュラルミン等の軽量化された金属材の周囲を弾性を有する樹脂材で覆うように構成されており、腰支持体３０及び上体フレーム２１０、バッテリ３２，３４、制御ユニット３６等の質量を支えることができる。すなわち、動作補助装置１０は、腰支持体３０、バッテリ３２，３４、制御ユニット３６及び上体フレーム２１０、防護服１４、頭部保護具１６の質量が装着者１２に作用しないように構成されている。
【００５２】
腰支持体３０は、内周面中央に装着者１２の腰後部（背面）に当接するフィッティング部３１を有する金属材からなる腰サポート部１１０と、腰サポート部１１０の両端にヒンジを介して連結されたベルト１２０，１２１と、一方のベルト１２０の端部に取り付けられたバックル１２２と、他方のベルト１２１の端部に取り付けられた係止用金具１２４とを有する。
【００５３】
腰支持体３０を装着者１２の腰に装着する際は、腰サポート部１１０の内側に設けられたフィッティング部３１に腰の背面側を当接させた状態でバックル１２２の挿入口に係止用金具１２４を挿入して係止させる。そして、ベルト１２０，１２１の長さを装着者１２のお腹の大きさに応じた長さに調整する。これにより、腰支持体３０は、装着者１２の腰回りの外周にほぼ密着した保持状態となる。尚、バックル１２２は、自動車のシートベルトと同様な構成になっており、係止解除部を操作することにより係止用金具１２４の係止を解除することができるように構成されている。
〔制御システムの構成〕
図５は制御部のシステム構成を示すブロック図である。図５に示されるように、動作補助装置１０の制御系システムは、装着者１２に対してアシスト力を付与する駆動部１４０と、装着者１２の動作に応じた関節角度（物理現象）、及び、装着者１２の重心位置（物理現象）を検出する物理現象検出部１４２と、装着者１２の筋肉の活動に伴って発生する筋電位等を含む（生体信号）を検出する生体信号検出部１４４とを備えている。尚、上記駆動部１４０は、駆動モータ２０，２２，２４，２６からなる。物理現象検出部１４２は、上記関節回動角度を検出する角度センサ７０，７２，７４，７６(図６参照)及び床反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂからなる。生体信号検出部１４４は、生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂからなる。
【００５４】
データ格納部１４６には、基準パラメータデータベース１４８と、指令信号データベース１５０とが格納されている。随
随意的制御部１５４は、生体信号検出部の検出信号に応じた指令信号を電力増幅部１５８に供給する。随意的制御部１５４は、生体信号検出部１４４に所定の指令関数f（t）またはゲインＰを適用して指令信号を生成する。このゲインＰは予め設定された値又は関数でも良く、ゲイン変更部１５６を介して調整することができる。
【００５５】
また、装着者１２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１４４からの生体信号の入力が得られないときに、物理現象検出部１４２により検出された各データ（角度センサ７０，７２，７４，７６(図６参照)により検出された関節角度データ又は反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂにより検出された重心移動データ）に基づいて各駆動モータ２０，２２，２４，２６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。
【００５６】
物理現象検出部１４２によって検出された関節角度（θknee,θhip）や重心位置は、基準パラメータデータベース１４８に入力される。フェーズ特定部１５２では、物理現象検出部１４２により検出された関節角度及び重心位置を基準パラメータデータベース１４８に格納された基準パラメータの関節角度及び重心位置と比較することにより、装着者１２の動作のフェーズを特定する。
【００５７】
そして、自律的制御部１６０では、フェーズ特定部１５２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、この動力を駆動部１４０に発生させるための指令信号を電力増幅部１５８に供給する。
〔各制御機器の接続系統〕
図６は各制御機器の接続を示すブロック図である。図６に示されるように、バッテリ３２，３４は、電源回路８６に電源供給しており、電源回路８６では所定電圧に変換して入出力インターフェイス８８に定電圧を供給する。また、バッテリ３２，３４の充電容量は、バッテリ充電警告部９０によって監視されており、バッテリ充電警告部９０は、予め設定された残量に低下すると、警告を発して装着者１２にバッテリ交換または充電を報知する。
【００５８】
各駆動モータ２０，２２，２４，２６を駆動する第１乃至第４モータドライバ９２〜９５は、入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００からの制御信号に応じた駆動電圧を増幅して各駆動モータ２０，２２，２４，２６に出力する。
【００５９】
各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂから出力された生体電位信号の検出信号は、電力増幅部１５８の第１乃至第８差動増幅器１０１〜１０８によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によってデジタル信号に変換されて入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。尚、装着者１２の皮膚表面で検出される生体電位信号は、微弱である。そのため、第１乃至第８差動増幅器１０１〜１０８で例えば、３０μＶの検出信号をコンピュータが判別可能な３Ｖ程度に増幅するには、１０５倍となる１００dBの増幅率が必要になる。
【００６０】
また、角度センサ７０，７２，７４，７６から出力された角度検出信号は、夫々第１乃至第４角度検出部１１１〜１１４に入力される。第１乃至第４角度検出部１１１〜１１４は、ロータリエンコーダによって検出されたパルス数を角度に相当する角度データ値に変換しており、検出された回動角度データは入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。
【００６１】
反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂから出力された反力検出信号は、夫々第１乃至第４反力検出部１２１〜１２４に入力される。第１乃至第４反力検出部１２１〜１２４は、圧電素子によって検出された電圧を力に相当するデジタル値に変換しており、検出された反力データは入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。
【００６２】
データ格納部１４６のメモリ１３０は、各データを格納する格納部であり、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１３０Ａと、各モ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１３０Ｂなどが設けられている。データベース格納領域１３０Ａには、図５に示す基準パラメータデータベース１４８と指令信号データベース１５０が格納されている。
【００６３】
また、制御装置１００から出力された制御データは、入出力インターフェイス８８を介してデータ出力部１３２あるいは通信ユニット１３４に出力され、例えば、モニタ（図示せず）に表示したり、あるいはデータ監視用コンピュータ（図示せず）などにデータ通信で転送することもできる。
【００６４】
また、制御装置１００は、前述した自律的制御部１６０と、フェーズ特定部１５２と、差分導出部１５４と、ゲイン変更部１５６とを備えている。
〔角度センサの検出信号を用いて制御装置１００が実行する制御処理〕
ここで、制御装置１００が実行する制御処理の手順について図７Ａのフローチャートを参照して説明する。図７Ａに示されるように、制御装置１００は、ステップＳ１１（以下「ステップ」を省略する）で装着者１２の動作に伴う物理現象検出部１４２（角度センサ７０，７２，７４，７６）により検出された関節角度（θknee,θhip）を取得する。次にＳ１２に進み、生体信号検出部１４４（生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ）によって検出された筋電位信号(EMGknee,EMGhip)を取得する。
【００６５】
次のＳ１２ａでは、生体信号検出部１４４からの生体検出信号が検出できているか否かをチェックする。Ｓ１２ａにおいて、生体信号検出部１４４からの生体検出信号が検出できていない場合（ＮＯの場合）（例えば、生体信号センサが装着者１２の汗で剥がれている場合、あるいは生体信号センサを装着していない場合、生体信号検出部１４４からの筋電位信号が得られない。）、Ｓ１３に進み、上記Ｓ１１、Ｓ１２で取得された関節角度（θknee,θhip）及び重心位置を基準パラメータデータベース１４８と照合して装着者１２の各動作種別に対応するタスクのフェーズ(動作段階)を特定する。
【００６６】
次のＳ１４では、上記Ｓ１３で特定されたフェーズ(動作段階)に応じた指令関数f(t)及びゲインＰを選択する。
【００６７】
そして、Ｓ１５では、選択されたゲインＰにより生成された指令信号（制御信号）が、電力増幅部１５８（モータドライバ９２〜９５）に供給される。これにより、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）は、駆動トルクを発生することになる。
【００６８】
その結果、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）は、装着者１２から検出した関節角度及び重心位置に基づいて選択されたフェーズに応じた駆動トルクを発生し、この駆動トルクを第１下フレーム５８、第２下フレーム６０及び第１締結ベルト７８、第２締結ベルト８０を介して装着者１２の脚にアシスト力として伝達する。
【００６９】
このように、装着者１２の関節角度と重心位置に基づいてアシストを行うので、装着者１２は、生体検出信号が得られなくても駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）からの駆動トルクによるアシスト力を付与されて労力が軽減される。
【００７０】
例えば、装着者１２が防護服１４及び頭部保護具１６を着用した状態で階段を上る場合には、指令関数f（t）に応じた駆動力を発生させてアシストする。このような場合には、上の段についた脚は、股関節及び膝関節の角度が平地を歩行する場合よりも屈曲した状態で着地することになる、従って、例えば股関節及び／又は膝関節の屈折角度が８０°〜１００°の時に、床半力センサの検出値が所定の値以上になったら、階段を上るフェーズであると判断し、膝関節及び股関節の角度の伸展に合わせて駆動トルクを発生させる。
【００７１】
また、階段を下りるフェーズ、立ち上がりのフェーズ、座りのフェーズであると判断した場合にも、所定の指令関数f（t）に従って駆動力を発生させてアシストをする。
【００７２】
なお、装着者１２が、平地を歩行している場合には負担が比較的小さいので、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）によるアシストが無くても作業効率は低下しない。従って、一般的な歩行のフェーズであると判断したときには、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）は装着者１２の動作を阻害しないように、駆動モータ自体の粘性を補償するように駆動される。
【００７３】
Ｓ１６では、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理が行われてかどうかを確認する。Ｓ１６において、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理が残っている場合には、上記Ｓ１１に戻り、次のフェーズに対する制御処理（Ｓ１１〜Ｓ１６）を行う。また、Ｓ１６において、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理を行ったときは、今回の制御処理を終了する。
【００７４】
このように、動作補助装置１０は、上体フレーム２１０に防護服１４及び頭部保護具１６を着用した状態でも駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）からの駆動トルクが第１下フレーム５８、第２下フレーム６０及び第１締結ベルト７８、第２締結ベルト８０を介して装着者１２の脚に伝達されるため、装着者１２は例えば階段を上る際でも通常の半分以下の力で動作することが可能になる。さらに、作業に必要な機材を上体フレーム２１０で支えることで装着者１２は、余計な労力を使わずに作業効率を上げることが可能になる。
【００７５】
このように、生体信号センサが装着者１２の汗で剥がれているような場合、あるいは生体信号センサを装着していない場合には、角度センサ７０，７２，７４，７６によって検出された関節回動角度に基づいて装着者１２が階段や段差を上っている場合に駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６）からの駆動トルクを付与することで装着者１２の労力を軽減して、作業効率を高めることができる。また、制御装置１００が装着者１２の動作に応じて駆動部１４０の駆動トルクを制御するため、装着者１２が歩行する際にも防護服１４や頭部保護具１６の質量を感じることなく、歩行することが可能になり、体力の消耗を抑制できると共に、防護服１４を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
〔生体信号を用いて制御装置１００が実行する制御処理〕
図７Ｂは生体信号センサの検出信号を用いて制御部が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。図７Ｂに示されるように、Ｓ１２ａにおいて、例えば、装着者１２が生体信号センサを適正に装着している場合、生体信号検出部１４４からの生体電位信号を得ることができる。その場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１８に進み指令関数f(t)及びゲインＰに基づいて、生体電位信号に応じた指令信号を生成する。
【００７６】
次のＳ１９では、指令信号を電力増幅部１５８（モータドライバ９２〜９５）に送出する。これにより、装着者１２には、生体検出信号に応じたアシスト力を付与されて労力が軽減される。
【００７７】
Ｓ２０では、ゲイン変更部による入力があったかどうか確認する。Ｓ２０において、ゲイン変更部による入力があった場合には、上記Ｓ１８に戻り、変更後のゲインＰにより制御処理（Ｓ１８〜Ｓ２０）を行う。また、Ｓ２０において、ゲイン変更部による入力が無かったときは、今回の制御処理を終了する。
【００７８】
このように、生体信号センサにより生体電位信号が検出できる場合には、生体電位信号に基づいて装着者１２の意思に応じて駆動トルクを付与することで装着者１２の労力を軽減して、作業効率を高めることができる。また、制御装置１００が装着者１２の動作に応じて駆動部１４０の駆動トルクを制御するため、装着者１２が歩行する際にも防護服１４や頭部保護具１６の質量を感じることなく、歩行することが可能になり、体力の消耗を抑制できると共に、防護服１４を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
〔変形例１〕
図８は上体フレームの変形例２を示す斜視図である。図８に示されるように、変形例１の上体フレーム２１０Ａは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の後側フレーム２２５，２３５がＸ字状に交差している。後側フレーム２２５，２３５は、端部２２３，２３３が円形のフレーム結合部２５０Ａに結合されている。フレーム結合部２５０Ａは、腰支持体３０の外周面に回動可能に連結された回動部２５１と、回動部２５１に固定されたパイプ嵌合部２５２とを有する。
【００７９】
また、パイプ嵌合部２５２には、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の端部２２１，２２３，２３１，２３３が嵌合固定されている。そして、回動部２５１は、腰支持体３０の外周面に対して回動することにより、パイプ嵌合部２５２及び第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の端部２２１，２２３，２３１，２３３を回動させることが可能である。
【００８０】
さらに、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の前側フレーム２２６，２３６間には、連結部２４０Ａが連結されている。連結部２４０Ａは、前側フレーム２２６より水平方向に延在する右ねじ部２４１と、前側フレーム２３６より水平方向に延在する左ねじ部２４２と、一端が右ねじ部２４１に螺合され他端が左ねじ部２４２が螺合された雌ねじ部２４３とを有する。
【００８１】
すなわち、連結部２４０Ａは、ターンバックルと同じ構造であり、逆ねじに形成された右ねじ部２４１及び左ねじ部２４２に螺合された雌ねじ部２４３を右回り又は左回りに回動させることによって、右ねじ部２４１及び左ねじ部２４２が雌ねじ部２４３の内側に移動するか、あるいは雌ねじ部２４３の外側に移動する。これにより、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０は、左右方向の離間距離が調整されると共に、フレーム結合部２５０Ａが回動して肩支持部２２２、２３２の高さ位置及び左右方向位置が調整される。
【００８２】
例えば、装着者１２の体格が各人によって異なる場合、上記雌ねじ部２４３を回動操作することで、肩支持部２２２、２３２の高さ位置及び左右方向位置を当該装着者１２の肩の位置に応じて適宜調整することができる。尚、連結部２４０Ａは、装着者１２自身が操作して腰支持体３０に対する肩支持部２２２、２３２の位置を調整することが可能であるので、防護服１４が第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０に支持された状態であっても簡単に肩支持部２２２、２３２の高さ位置及び左右方向位置を調整できる。
【００８３】
また、連結部２４０Ａは、前側フレーム２２６，２３６の左右方向の離間距離及び後側フレーム２２５，２３５の回動角度を調整する調整機構であり、調整終了後は、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の調整位置を固定するロック機構としても機能する。
〔変形例２〕
図９は上体フレームの変形例２を示す斜視図である。図９に示されるように、変形例２の上体フレーム２１０Ｂは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２から左右方向に突出する肩保護部２２４，２３４が設けられている。肩保護部２２４，２３４は、装着者１２の肩の上方に離間する高さに配され、上面側には複数の永久磁石２６０が埋設されている。
【００８４】
そして、防護服１４の肩部内側には、鉄板などの磁性材を取り付ける。そのため、防護服１４を着用すると、肩保護部２２４，２３４の上面側に配された複数の永久磁石２６０の磁力によって防護服１４の肩部が吸着される。
【００８５】
従って、防護服１４は、肩部が装着者１２に接触していなくてもずれることが防止され、肩保護部２２４，２３４の上面側に配された複数の永久磁石２６０の磁力によって保持されるため、例えば荷物を肩に背負う場合でも肩部がずれないので、作業を支障なく行える。
〔変形例３〕
図１０は上体フレームの変形例３を示す斜視図である。図１０に示されるように、変形例３の上体フレーム２１０Ｃは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２から左右方向に突出する肩保護部２２４，２３４が設けられている。肩保護部２２４，２３４は、肩保護部２２４，２３４に固定された支持部２２７，２３７により、前後方向に回動可能に支持され、且つ左右方向に延在する第１アーム２７０、第２アーム２８０を支持している。
【００８６】
第１アーム２７０、第２アーム２８０は、防護服１４の両袖に挿入され、防護服１４の各袖を上方に持ち上げるようにバネ力を作用させるリンク機構からなる構成である。第１アーム２７０と第２アーム２８０とは、同一構成であるので、以下、第１アーム２７０の構成について説明する。
【００８７】
第１アーム２７０は、肩保護部２２４の下面側に連結された第１関節２７１により上下方向に回動可能に支持された第１リンク機構２７２と、第１リンク機構２７２の先端の第２関節２７３により上下方向に回動可能に支持された第２リンク機構２７４とを有する。また、第２リンク機構２７４の先端には、防護服１４の袖を上方に持ち上げる当接片２７５が支持されている。
【００８８】
第１リンク機構２７２及び第２リンク機構２７４は、２本平行リンクをコイルバネ２７６、２７７のバネ力によりバランスさせて静止するように構成されている。従って、第１アーム２７０、第２アーム２８０は、装着者１２が上体フレーム２１０Ｃの上から着用された防護服１４の袖に通されると、防護服１４の袖を上方に持ち上げることができると共に、装着者１２の腕の動きに応じて上下方向に回動するため、装着者１２の作業を妨げずに防護服１４の袖の荷重を支えることができる。よって、上体フレーム２１０Ｃは、装着者１２の腕の動きを規制することなく、装着者１２の労力を軽減することが可能になる。
〔変形例４〕
図１１は上体フレームの変形例４を示す斜視図である。図１１に示されるように、変形例４の上体フレーム２１０Ｄは、肩保護部２２４，２３４に固定された支持部２２７，２３７により、前後方向に回動可能に支持され、且つ左右方向に延在する第１アーム２７０Ａ、第２アーム２８０Ａを支持している。第１アーム２７０Ａと第２アーム２８０Ａとは、同一構成であるので、以下、第１アーム２７０Ａの構成について説明する。
【００８９】
第１アーム２７０Ａは、中空の金属パイプよりなり、内部の中空部にはワイヤＷが挿通されている。また、支持部２２７及び第１アーム２７０Ａ、第２アーム２８０Ａの各関節２７１Ａ，２７３Ａには、ワイヤＷが巻き掛けされるプーリ２２７ａ、２７１ａ、２７３ａが収納されている。
【００９０】
また、ワイヤＷの先端は当接片２７５に結合され、ワイヤＷの基端はコイルバネ２７８の上端に結合されている。さらに、コイルバネ２７８の下端は、金属ロッド２７９に結合されている。金属ロッド２７９は、第１上フレーム２２０の端部２２３内に摺動可能に挿通されており、上下方向の係止位置を調整可能に取り付けられている。従って、金属ロッド２７９の上下方向の係止位置を調整することにより、コイルバネ２７８のバネ力を調整することができる。
【００９１】
従って、第１アーム２７０Ａ、第２アーム２８０Ａは、装着者１２が上体フレーム２１０Ｄの上から着用された防護服１４の袖に通されると、防護服１４の袖を上方に持ち上げることができると共に、装着者１２の腕の動きに応じて上下方向に回動するため、装着者１２の作業を妨げずに防護服１４の袖の荷重を支えることができる。よって、上体フレーム２１０Ｄは、装着者１２の腕の動きを規制することなく、装着者１２の労力を軽減することが可能になる。また、上体フレーム２１０Ｄは、コイルバネ２７８が内部に挿入されて外部に露出しない構成であるので、装着者１２が動作する際にコイルバネ２７８に接触せず、作業の妨げにならないように構成されている。
〔変形例５〕
図１１は上体フレームの変形例５を示す斜視図である。図１１に示されるように、変形例４の上体フレーム２１０Eは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２の上方に頭部保護フレーム２９０が溶接により固定されている。
【００９２】
頭部保護フレーム２９０は、装着者１２の頭部を跨ぐように形成された２本の保護パイプ２９１，２９２と、保護パイプ２９１，２９２間を連結する連結部２９３，２９４とを有する。
また、頭部保護フレーム２９０の保護パイプ２９１，２９２は、左右の支持部２２２、２３２を跨ぐように台形状に形成されており、頭部保護具１６の内側形状に対応している。そのため、頭部保護具１６を頭部保護フレーム２９０に被せることで、頭部保護部１６の質量は、頭部保護フレーム２９０によって支えられる。これにより、装着者１２は、頭部保護部１６の質量を全く気にせずに作業を行うことができ、よって、上体フレーム２１０Eは、装着者１２の頭部の負担を軽減して、装着者１２の労力を軽減することが可能になる。また、頭部保護具１６の質量が装着者１２に作用しないため、装着者１２の頭部の負担を軽減して体力の消耗を抑制できると共に、防護服１４を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
〔変形例６〕
図１３は上体フレームの変形例６を示す斜視図である。図１３に示されるように、上体フレーム２１０Fは、防護服１４の内側から装着者１２を冷却する冷却ユニット３００（冷却部）が設けられている。
【００９３】
冷却ユニット３００は、装着者１２の背中に対向するように配された冷却袋３１０と、冷却袋３１０に冷却液を供給する冷却用熱交換器３２０とを有する。冷却袋３１０は、樹脂製の袋からなり、内部に複数の流路が格子状に形成されている。また、冷却袋３１０は、後側フレーム２２５，２３５と、後側フレーム２２５，２３５間を連結する連結部２４０とによって画成された空間内に収納されている。そのため、冷却袋３１０の内側は、装着者１２の背中に対向する位置に保持される。
【００９４】
冷却用熱交換器３２０は、例えば印加電圧によって温度を変化させる特性をもつペルチェ素子等からなり、頭部保護フレーム２９０に支持されたベース３３０に搭載されている。また、冷却用熱交換器３２０には、冷却液を循環させるためのポンプを有している。
【００９５】
頭部保護フレーム２９０及び後側フレーム２２５，２３５及び連結部２４０は、中空パイプにより形成されており、内部の中空部分が冷却液の流路になっている。連結部２４０は、冷却袋３１０の流入口、流出口に接続されており、冷却用熱交換器３２０から送液された冷却液を冷却袋３１０に供給する。また、冷却袋３１０から排出された冷却液は、後側フレーム２３５及び頭部保護フレーム２９０の内部に形成された流路を通過して冷却用熱交換器３２０に戻されて再度冷却される。
【００９６】
また、頭部保護フレーム２９０及び後側フレーム２２５，２３５及び連結部２４０も冷却液の循環により冷却されるため、冷却袋３１０と共に、防護服１４の内側を冷却することができる。
【００９７】
冷却用熱交換器３２０は、動作補助装置１０のバッテリ３２，３４からの電源供給により作動する。また、冷却用熱交換器３２０は、防護服１４の内部温度を温度センサにより測定し、測定された温度が所定以上に上昇した場合に冷却液を循環させるように制御される。
【００９８】
これにより、防護服１４の内側の温度が作業に適した温度を保つように温度制御することが可能になり、装着者１２が温度上昇により疲労することを防止できる。よって、上体フレーム２１０Fは、装着者１２の体温の上昇を抑制して、装着者１２の疲労を軽減することが可能になる。
【００９９】
また、装着者１２の体温の上昇を抑制することで、装着者が脱水状態になることを防止でき、湿度の高い作業環境下での作業時間の延長が可能になる。
〔変形例７〕
図１４は上体フレームの変形例７を示す斜視図である。図１４に示されるように、変形例７の上体フレーム２１０Gは、第１上フレーム２２０及び第２上フレーム２３０の肩支持部２２２、２３２の上方に頭部保護フレーム２９０が溶接により固定されている。また、上体フレーム２１０Ｆの背側の２本の連結部２４０には、空気ボンベ４００がベルト４０２により取り付けられている。
【０１００】
空気ボンベ４００は、金属または複合材により形成された容器であり、内部には圧縮空気が充填されている。また、空気ボンベ４００の上端には、電磁弁４１０が取り付けられている。
【０１０１】
さらに、電磁弁４１０は、空気チューブ４２０を介して装着者１２が顔に装着するマスクに接続され、且つ頭部保護フレーム２９０にも接続されている。頭部保護フレーム２９０の保護パイプ２９１，２９２の内側（装着者１２の頭部に対向する側）に複数の空気噴射孔４３０が設けられている。
【０１０２】
複数の空気噴射孔４３０は、電磁弁４１０の開弁により圧縮空気が供給され、装着者１２の頭部に空気を噴射して頭部を空冷する冷却部を構成している。
【０１０３】
また、電磁弁４１０は、頭部保護具１６の内部温度を温度センサにより測定し、測定された温度が所定以上に上昇した場合に空気を噴射させるように制御される。
【０１０４】
これにより、頭部保護具１６の内側の温度が作業に適した温度を保つように温度制御することが可能になり、装着者１２が温度上昇により疲労することを防止できる。また、頭部保護具１６の内部は、首から防護服１４の内側にも連通されているので、複数の空気噴射孔４３０から噴射された空気は、装着者１２の頭部を冷却した後、防護服１４の内側にも流入して防護服１４全体を冷却する。よって、上体フレーム２１０Ｆは、装着者１２の体温の上昇を抑制して、装着者１２の疲労を軽減することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
尚、防護服としては、放射線や化学薬品に限らず、例えば、火災やガスなどから防護するものも含まれる。
【０１０６】
また、防護服は、上着とズボンとが分かれるタイプでも良いし、一体となったつなぎでも良い。
【符号の説明】
【０１０７】
１０ 装着式動作補助装置
１２ 装着者
１４ 防護服
１４Ａ 上着
１４Ｂ ズボン
１６ 頭部保護具
１６ａ 頭部
１６ｂ 鍔部
１７ 保護シールド
１８ フレーム構造
２０，２２，２４，２６ 駆動モータ
３０ 腰支持体
３２，３４ バッテリ
３１ フィッティング部
３６ 制御ユニット(制御部)
３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ 生体信号検出センサ
５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ 床反力センサ
５４ 右脚補助フレーム部
５５ 左脚補助フレーム部
５８ 第１下フレーム
６０ 第２下フレーム
６２ 第３下フレーム
６４ 第１関節
６６ 第２関節
７０，７２，７４，７６ 角度センサ
７８ 腿締結部材
７９、８１ フィッティング部
８０ 脛締結部材
８４ 靴
８６ 電源回路
８８ 入出力インターフェイス
９０ バッテリ充電警告部
９２〜９５ モータドライバ
１００ 制御装置
１０１〜１０８ 差動増幅器
１１０ 腰サポート部
１１１〜１１４ 角度検出部
１２０、１２１ ベルト
１２１〜１２４ 反力検出部
１３０ メモリ
１３０Ａ データベース格納領域
１３０Ｂ 制御プログラム格納領域
１３２ データ出力部
１３４ 通信ユニット
１４０ 駆動部
１４２ 物理現象検出部
１４４ 生体信号検出部
１４６ データ格納部
１４８ 基準パラメータデータベース
１５０ 指令信号データベース
１５２ フェーズ特定部
１５４ 差分導出部
１５６ ゲイン変更部
１５８ 電力増幅部
１６０ 自律的制御部
２００ 腰部連結機構
２１０、２１０Ａ〜２１０G 上体フレーム
２２０ 第１上フレーム
２２１，２２３，２３１，２３３ 端部
２２２、２３２ 肩支持部
２２４，２３４ 肩保護部
２２５，２３５ 後側フレーム
２３０ 第２上フレーム
２４０、２４０Ａ 連結部
２５０、２５０Ａ フレーム結合部
２５１ 回動部
２５２ パイプ嵌合部
２４１ 右ねじ部
２４２ 左ねじ部
２４３ 雌ねじ部
２６０ 永久磁石
２７０、２７０Ａ 第１アーム
２８０、２８０Ａ 第２アーム
２７１、２７１Ａ 第１関節
２７１ａ、２７３ａ プーリ
２７２ 第１リンク機構
２７３、２７３Ａ 第２関節
２７４ 第２リンク機構
２７５ 当接片
２７８ コイルバネ
２７９ 金属ロッド
２９０ 頭部保護フレーム
２９１，２９２ 保護パイプ
２９３，２９４ 連結部
３００ 冷却ユニット
３１０ 冷却袋
３２０ 冷却用熱交換器
３３０ ベース
４００ 空気ボンベ
４１０ 電磁弁
４２０ 空気チューブ
４３０ 空気噴射孔
Ｗ ワイヤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装着者の腰に装着される腰支持体と、
該腰支持体の右側を支持するように結合された右脚補助部と、
前記腰支持体の左側を支持するように結合された左脚補助部と、
前記装着者の関節に対応するように前記右脚補助部及び前記左脚補助部に配された複数の駆動部と、
前記複数の駆動部を制御する制御部とを有する装着式動作補助装置において、
前記装着者の上体を囲むように形成された上体フレームを前記腰支持体に設け、
前記上体フレームは、当該装着者が装着する防護服の肩部を支持することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項２】
前記上体フレームは、前記装着者の上体と非接触となる形状に形成されてい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。
【請求項３】
前記上体フレームは、金属パイプにより形成され、端部が前記腰支持体に固定された結合部に結合されることを特徴とする請求項１又は２に記載の装着式動作補助装置。
【請求項４】
前記上体フレームは、当該装着者の肩に対応する肩支持部を有し、前記防護服の肩部を前記肩支持部により支持することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項５】
前記上体フレームは、端部が前記腰支持体に対して回動可能に結合され、前記防護服の肩部の位置に応じて当接位置が調整されるように設けられたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項６】
前記上体フレームの当該装着者の肩に対応する位置に、前記防護服の袖を支持するように構成された袖支持部を設けたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項７】
前記上体フレームに、前記防護服の内側を冷却する冷却部を設けたことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項８】
前記上体フレームに、当該装着者の頭部に装着される頭部保護具を支持する頭部支持フレームを設けたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項９】
前記上体フレームは、
当該装着者の右側に位置する第１フレームと、
当該装着者の左側に位置する第２フレームと、
前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する連結部とを有することを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項１０】
前記右脚補助部及び前記左脚補助部に各関節の回動角度を検出する角度センサを設け、
前記制御部は、前記角度センサにより検出された角度検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御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。
【請求項１１】
前記装着者の右脚、左脚の生体信号を検出する生体信号検出センサを設け、
前記制御部は、前記生体信号検出センサにより検出された生体信号検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御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。
【請求項１】
装着者の腰に装着される腰支持体と、
該腰支持体の右側を支持するように結合された右脚補助部と、
前記腰支持体の左側を支持するように結合された左脚補助部と、
前記装着者の関節に対応するように前記右脚補助部及び前記左脚補助部に配された複数の駆動部と、
前記複数の駆動部を制御する制御部とを有する装着式動作補助装置において、
前記装着者の上体を囲むように形成された上体フレームを前記腰支持体に設け、
前記上体フレームは、当該装着者が装着する防護服の肩部を支持することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項２】
前記上体フレームは、前記装着者の上体と非接触となる形状に形成されてい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。
【請求項３】
前記上体フレームは、金属パイプにより形成され、端部が前記腰支持体に固定された結合部に結合されることを特徴とする請求項１又は２に記載の装着式動作補助装置。
【請求項４】
前記上体フレームは、当該装着者の肩に対応する肩支持部を有し、前記防護服の肩部を前記肩支持部により支持することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項５】
前記上体フレームは、端部が前記腰支持体に対して回動可能に結合され、前記防護服の肩部の位置に応じて当接位置が調整されるように設けられたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項６】
前記上体フレームの当該装着者の肩に対応する位置に、前記防護服の袖を支持するように構成された袖支持部を設けたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項７】
前記上体フレームに、前記防護服の内側を冷却する冷却部を設けたことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項８】
前記上体フレームに、当該装着者の頭部に装着される頭部保護具を支持する頭部支持フレームを設けたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項９】
前記上体フレームは、
当該装着者の右側に位置する第１フレームと、
当該装着者の左側に位置する第２フレームと、
前記第１フレームと前記第２フレームとを連結する連結部とを有することを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項１０】
前記右脚補助部及び前記左脚補助部に各関節の回動角度を検出する角度センサを設け、
前記制御部は、前記角度センサにより検出された角度検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御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。
【請求項１１】
前記装着者の右脚、左脚の生体信号を検出する生体信号検出センサを設け、
前記制御部は、前記生体信号検出センサにより検出された生体信号検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−１３４９９（Ｐ２０１３−１３４９９Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４７４３６（Ｐ２０１１−１４７４３６）
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
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