関節運動アシスト装置
【課題】
構造がコンパクトであるとともに、関節運動を適切にアシストする。
【解決手段】
調整部によるシリンダ１５１内の空気圧調整により、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が伸長すると、ピストンロッド１５３及び第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節が伸展状態から屈曲状態へ向かう回動方向と略平行な方向で回動する回動力が付与される。第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部位材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として公転する。これにより、第２歯車部材１２３に固定的されている前腕外骨格部材１２１が回転し、上腕外骨格部材１１１と前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が狭まり、肘関節は伸展状態から屈曲状態になる。
構造がコンパクトであるとともに、関節運動を適切にアシストする。
【解決手段】
調整部によるシリンダ１５１内の空気圧調整により、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が伸長すると、ピストンロッド１５３及び第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節が伸展状態から屈曲状態へ向かう回動方向と略平行な方向で回動する回動力が付与される。第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部位材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として公転する。これにより、第２歯車部材１２３に固定的されている前腕外骨格部材１２１が回転し、上腕外骨格部材１１１と前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が狭まり、肘関節は伸展状態から屈曲状態になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節運動アシスト装置に係り、より詳しくは、所定対象物の関節運動をアシストする外骨格形の関節運動アシスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、要介護者・要看護者の介護・看護に用いられる様々な装置が提案されている。こうした装置の中には、介護者が、身体の自由が効かない寝たきりの高齢者等の被介護者を抱き起したり、抱き下ろしたり、あるいは移動させるための介護用の筋力補助装置がある。
【０００３】
かかる筋力補助装置の一つとして、空気圧によって駆動するアクチュエータを用いたものがある（特許文献１参照：以下、「従来例」と呼ぶ）。この従来例の技術では、一端部を中心に相互に揺動自在に連結された２つの板材、及び、当該２つの板材の間に配置され内部に供給される空気により膨張する袋体からなるアクチュエータ要素を重ねた大型の空気圧アクチュエータを人体における所定箇所に装着した装着部に取り付ける。そして、空気圧アクチュエータにおける袋体を膨張させて、肘関節、股関節及び膝関節の運動を補助するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５１２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来例の技術では、空気圧アクチュエータにおける袋体内への空気の供給を行う際には関節運動をアシストするが、袋体からの空気の吸引によっては関節運動をアシストする力を発生させていない。このように袋体内への空気の供給を行うときのみに当該力が発生するため、特に、股関節運動のアシストは、空気圧アクチュエータへの空気供給による袋体の膨張を、リンク機構によって股関節の伸展力に変換することによって行っている。その結果、装置自体は大規模なものとなっている。このため、装置の介護者への装着が容易ではなく、また、当該装置を装着した介護者の身体的自由を制限してしまう可能性がある。
【０００６】
このように、従来例の技術では、関節の屈曲運動又は伸展運動のいずれか一方のみしかアシストすることができず、筋力補助装置としての機能が限定的なものとなっている。また、従来例の技術では、装置が大規模なものとなっている。このため、関節運動をアシストするに際して、装着が容易であり、かつ、装着者の身体的自由を確保しつつ、所望する関節の屈曲運動及び伸展運動をアシストすることができる技術が待望されている。
【０００７】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、構造がコンパクトであるとともに、関節運動を適切にアシストすることができる関節運動アシスト装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、骨格構造を有する所定対象物に装着し、前記所定対象物の一方側部位と他方側部位とを接続している関節の機構を利用する関節運動をアシストする外骨格形の関節運動アシスト装置であって、前記一方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記一方側部位に固定される第１外骨格部材と；前記他方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記他方側部位に固定される第２外骨格部材と；前記第１外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第１外骨格部材の前記一方側部位への固定時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部及び内周部の一方の少なくとも一部に、歯部が形成された第１歯車部材と；前記第２外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第１歯車部材と噛合可能な歯部が、前記第２外骨格部材の前記他方側部位への固定時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部の少なくとも一部に形成された第２歯車部材と；前記第１外骨格部材に取り付けられたシリンダと；前記シリンダ内を往復運動する直動ピストンに一方の端部が連結され、前記シリンダの一方の端部を貫通し、前記直動ピストンとともに往復直線運動するピストンロッドと；前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保するとともに、前記第２歯車部材が、前記関節の回動運動の回動軸と略平行となる前記第１歯車部材の中心軸の回りを回動可能となるように、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材と前記ピストンロッドにおける他方の端部とを連接する連接部材と；を備え、前記直動ピストンの行程により、前記ピストンロッド及び前記連接部材を介して、前記第２歯車部材に、前記関節の回動方向と略平行な方向で回動する回動力が付与され、前記第２歯車部材が、前記第１歯車部材との噛み合い位置が変化することにより、自転しつつ、前記第１歯車部材の中心軸を中心として公転することで、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が変化し、前記関節の運動をアシストする、ことを特徴とする関節運動アシスト装置である。
【０００９】
この関節運動アシスト装置では、所定対象物に当該装置が装着された場合に、第１外骨格部材に固定的に接続された第１歯車部材の中心軸、及び、当該第１歯車部材と噛合する第２外骨格部材に固定的に接続された第２歯車部材の中心軸が、アシスト対象関節の回動運動の回動軸と略平行となっている。そして、シリンダ内の直動ピストンの行程により、ピストンロッド及び連接部材を介して、第２歯車部材に、関節の回動方向と略平行な方向で回動するための回動力が付与される。第２歯車部材に当該回動力が付与されると、第２歯車部材における第１歯車部材との噛み合い位置が変化し、第２歯車部材が、自転しつつ、第１歯車部材の中心軸を中心として公転する。このようにして第２歯車部材が自公転すると、第２歯車部材に固定的に接続されている第２外骨格部材が、第１歯車部材の中心軸を中心として公転するとともに、第２歯車部材の中心軸を中心として自転する。この結果、第１及び第２歯車部材における歯部の歯数に応じて、所定対象物の一方側部位が固定された第１外骨格部材と、他方側部位が固定された第２外骨格部材とが交差する角度が変化し、受動的に、一方側部位と他方側部位とを接続している関節の運動がアシストされる。
【００１０】
したがって、本発明の関節運動アシスト装置によれば、構造がコンパクトであるとともに、直動ピストンの行程を適切に制御することにより、関節運動を適切にアシストすることができる。
【００１１】
ここで、「所定対象物」は、人体であってもよいし、骨格構造を有する人体以外の対象物であってもよい。
【００１２】
本発明の関節運動アシスト装置では、前記シリンダは、前記関節の回動方向と略平行な方向で、前記第１外骨格部材に回動可能に取り付けられ、前記連接部材は、前記ピストンロッドにおける他方の端部と前記第２歯車部材とが、前記関節の回動運動の回動軸と略平行となる前記第１歯車部材の中心軸の回りを回動可能となるように、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材と前記ピストンロッドにおける他方の端部とを、前記関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に連接する、ようにすることができる。
【００１３】
この場合には、シリンダ内の直動ピストンの行程の際に、ピストンロッドにおける直動ピストンに連結されていない他方の端部と第１歯車部材との距離が一定となるように、シリンダが第１外骨格部材に対して揺動する。こうした構成を採用することで、直動ピストンの行程により、ピストンロッドにおける他方の端部が、第１歯車部材の中心軸の回りを回動する。そして、当該回動により、連接部材を介して、第２歯車部材に、関節の回動方向と略平行な方向で回動するための回動力が付与される。こうして第２歯車部材に当該回動力が付与されると、第２歯車部材における第１歯車部材との噛み合い位置が変化し、第２歯車部材が、自転しつつ、第１歯車部材の中心軸の回りを公転する。このため、直動ピストンの行程により、第２歯車部材に、第１歯車部材の中心軸の回りを回動するための回動力を付与することができる。この結果、直動ピストンの行程を適切に制御することにより、関節運動を適切にアシストすることができる。
【００１４】
ここで、シリンダが第１外骨格部材に対して揺動する構成を採用した場合に、前記連接部材は、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保する第１連接部材と；前記第１連接部材に固定的に接続されるとともに、前記ピストンロッドにおける他方の端部を前記関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に連接する第２連接部材と；を備える、構成とすることができる。
【００１５】
このように、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、直動ピストンの行程により、ピストンロッドにおける他方の端部に連接されている第２連接部材に動力が伝達され、当該動力が第１連接部材に伝達される。そして、第２歯車部材が、第１歯車部材の中心軸の回りを回動する。この場合には、連接部材が第１及び第２連接部材の２つの部材から構成されるため、個々に第１及び第２連接部材を製作することができる。また、この場合には、第２連接部材の長さを変えることで、関節運動をアシストする際の回転角度の変化率やトルクを調整することができる。
【００１６】
本発明の関節運動アシスト装置では、前記シリンダは、前記第１外骨格部材に固定的に取り付けられ、前記連接部材は、前記直動ピストンの行程に伴う前記ピストンロッドにおける他方の端部と前記第１歯車部材との距離の変化を許容しつつ、前記ピストンロッドにおける他方の端部を収容する収容部を有する、ようにすることができる。ここで、前記収容部は、前記ピストンロッドにおける他方の端部から前記第１歯車部材の中心部へ向う方向に沿って延びて形成された長穴である、ようにすることができる。
【００１７】
この場合には、シリンダが第１外骨格部材に固定的に取り付けられているため、シリンダ内の直動ピストンの行程、すなわち、ピストンロッドの往復直線運動の際に、ピストンロッドにおける他方の端部と第１歯車部材との距離が変化することになる。かかる距離変化が発生しても、ピストンロッドの往復運動が可能であり、第２歯車部材が自公転可能とするように、連接部材の収容部は、ピストンロッドにおける他方の端部と第１歯車部材との距離の変化を許容しつつ、ピストンロッドにおける他方の端部を収容するようになっている。こうした構成を採用することで、ピストンロッドの往復直線運動が、連接部材を介して、関節の回動方向と略平行な方向で第２歯車部材が回動する回動運動に変換され、回動力が生じる。こうして第２歯車部材に当該回動力が付与されると、第２歯車部材における第１歯車部材との噛み合い位置が変化し、第２歯車部材が、自転しつつ、第１歯車部材の中心軸の回りを公転する。このため、直動ピストンの行程により、第２歯車部材に、第１歯車部材の中心軸の回りを回動するための回動力を付与することができる。この結果、直動ピストンの行程を適切に制御することにより、関節運動を適切にアシストすることができる。
【００１８】
ここで、シリンダが第１外骨格部材に対して固定的に取り付けられる構成を採用した場合に、前記連接部材は、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保する第１連接部材と；前記第１連接部材に固定的に接続されるとともに、前記収容部を有する第２連接部材と；を備える、構成とすることができる。
【００１９】
このように、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、ピストンロッドにおける他方の端部と第１歯車部材との距離の変化を許容しつつ、ピストンロッドにおける他方の端部を収容する収容部は、第２連接部材に設けられることになる。そして、直動ピストンの行程によるピストンロッドにおける他方の端部の運動が、第１連接部材に伝達される。そして、第２歯車部材が、第１歯車部材の中心軸の回りを回動する。この場合には、連接部材が第１及び第２連接部材の２つの部材から構成されるため、個々に第１及び第２連接部材を製作することができる。また、この場合には、第２連接部材の長さを変えることで、関節運動をアシストする際の回転角度の変化率やトルクを調整することができる。
【００２０】
本発明の関節運動アシスト装置では、前記直動ピストンにより仕切られた２つのシリンダ室のそれぞれの作動流体圧を調整する調整部を更に備える、構成とすることができる。この場合には、調整部が直動ピストンにより仕切られた２つのシリンダ室内の作動流体圧を調整するため、屈曲、伸展の双方についての関節運動をアシストすることができる。
【００２１】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記所定対象物が、筋力による関節運動を行う生体であり、前記関節を駆動する筋力に関する生体情報を検出する検出部を更に備え、前記調整部は、前記検出部による検出結果に基づいて、前記シリンダ内の作動流体圧を調整する、ようにすることができる。この場合には、関節を駆動する筋力に関する生体情報に基づいて、筋力の発揮力等を導出し、当該導出結果に基づいて、直動ピストンにより仕切られた２つのシリンダ室内の作動流体圧を調整することができる。ここで、生体情報としては、筋電図、筋肉硬さ、又は、脳波等を採用することができる。
【００２２】
本発明の関節運動アシスト装置では、前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、互いの軸が平行な円柱形状であり、前記第１歯車部材の歯部は、前記外周部に形成され、前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の伸長行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の収縮行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、ようにすることができる。
【００２３】
このように、第１歯車部材及び第２歯車部材が、円柱形状の外歯車である場合には、ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の伸長行程及び収縮行程の際に、２つの歯車部材の中心軸間の距離が一定である。このため、第１歯車部材と第２歯車部材との噛合の確保に際して、簡単な構成の連接部材を採用することができる。なお、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、第１連接部材として、例えば、第１歯車部材及び第２歯車部材の中心軸を回動可能に挿入するアーム部材を採用することができる。
【００２４】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、互いの軸が平行な楕円柱形状であり、前記第１歯車部材の歯部は、前記外周部に形成され、前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の伸長行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の収縮行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、ようにすることができる。
【００２５】
このように、第１歯車部材及び第２歯車部材が、楕円柱形状の外歯車である場合には、ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の伸長行程及び収縮行程の際に、２つの歯車部材の中心軸間の距離が変化する。このため、屈曲運動又は伸展運動に伴う関節の回動運動の回動軸の自由度に対応した関節運動をアシストすることができる。なお、第１歯車部材と第２歯車部材との噛合の確保に際しては、中心軸間の距離の変化に対応できる構成の連接部材を採用するようにすればよい。また、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、第１連接部材として、例えば、第１歯車部材の中心軸と第２歯車部材の中心軸とを弾性的に付勢し、当該中心軸間の距離の変化に対応した構成を採用することができる。
【００２６】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、それぞれ、互いの軸が平行な円筒形状及び円柱形状であり、前記第１歯車部材の歯部は、前記内周部に形成され、前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の収縮行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記ピストンロッドの伸長行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、ようにすることができる。
【００２７】
このように、第１歯車部材が円筒形状の内歯車であり、第２歯車部材が円柱形状の外歯車である場合には、ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の収縮行程及び伸長行程の際に、２つの歯車部材の中心軸間の距離が一定である。このため、第１歯車が円柱形状の外歯車である場合と同様に、第１歯車部材と第２歯車部材との噛合の確保に際して、簡単な構成の連接部材を採用することができる。なお、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、第１連接部材として、例えば、第１歯車部材及び第２歯車部材の中心軸を回動可能に挿入するアーム部材を採用することができる。
【００２８】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記所定対象物の関節は、肘関節であり、前記第１外骨格部材は上腕部に固定され、前記第２外骨格部材は前腕部に固定される、ようにすることができる。この場合には、所定対象物の肘関節の運動をアシストすることができる。
【００２９】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記所定対象物の関節は、股関節であり、前記第１外骨格部材は腰部に固定され、前記第２外骨格部材は大腿部に固定される、ようにすることができる。この場合には、所定対象物の股関節の運動をアシストすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明の関節運動アシスト装置によれば、構造がコンパクトであるとともに、関節運動を適切にアシストすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態である肘関節の関節運動アシスト装置の外観図である。
【図２】図１の接続部材の構造を説明するための平面視図である。
【図３】図１の前腕外骨格部材の構造を説明するための平面視図である。
【図４】図１のアクチュエータの構造を説明するためのＸＺ断面図である。
【図５】図１の調整部の構成を説明するための図である。
【図６】ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の収縮時及び伸長時の図１の関節運動アシスト装置の状態を説明するための図である。
【図７】第１変形例である股関節の関節運動アシスト装置の外観図である。
【図８】ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の収縮時及び伸長時の図７の関節運動アシスト装置の状態を説明するための図である。
【図９】第２変形例である肘関節の関節運動アシスト装置において、シリンダからのピストンロッドの突出部分が収縮したとき及び伸長したときの状態を説明するための図である。
【図１０】歯車部材の変形例（その１）を説明するための図である。
【図１１】歯車部材の変形例（その２）を説明するための図である。
【図１２】図１１に対応するアクチュエータの構造を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施形態を、図１〜図６を参照して説明する。なお、本実施形態においては、所定対象物としての人体の右腕の肘関節の機構を利用して行われる関節運動をアシストする関節運動アシスト装置を例示して説明する。また、以下の説明及び図面においては、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３３】
［構成］
図１には、一実施形態に係る関節運動アシスト装置１００の外観図が示されている。この図１は、人体の腕に装着された関節運動アシスト装置１００を、肘関節が伸展状態にあるときの人体の右側から眺めた外観図（ＸＺ平面視図）である。
【００３４】
ここで、図１における座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、関節運動アシスト装置１００が人体に装着された場合に、人体の正面方向を＋Ｘ方向、人体の右側から左側へと向かう方向を＋Ｙ方向、上腕部が肘関節から延びる方向を＋Ｚ方向とする座標系である。このため、当該座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）では、Ｙ軸方向と肘関節の回動運動の回動軸方向とが略平行となっている。
【００３５】
図１に示されるように、関節運動アシスト装置１００は、第１外骨格部材の一部としての上腕外骨格部材１１１と、第１外骨格部材の一部としての接続部材１１２と、第１歯車部材１１３と、ベルト部材１１７，１１８とを備えている。また、関節運動アシスト装置１００は、第２外骨格部材としての前腕外骨格部材１２１と、第２歯車部材１２３と、ベルト部材１２７，１２８とを備えている。さらに、関節運動アシスト装置１００は、第１連接部材としての第１アーム部材１４１と、第２連接部材としての第２アーム部材１４２と、アクチュエータ１５０と、調整部１８０と、配管１９１，１９２とを備えている。
【００３６】
上記の上腕外骨格部材１１１は、例えば、長板状の鋼鉄製の部材である。この上腕外骨格部材１１１は、右上腕部が肘関節から延びる方向に沿って、右上腕部の右側（−Ｙ方向側）に配置され、布製のベルト部材１１７，１１８により右上腕部に固定される。
【００３７】
上記の接続部材１１２は、例えば、鋼鉄製の部材であり、図２に示されるように、ＸＹ平面視で、Ｌ字状に成形加工されたＬ字状部材１１２Lと、Ｕ字状に成形加工されたＵ字状部材１１２Uとから構成されている。そして、Ｌ字状部材１１２LとＵ字状部材１１２Uとを不図示のネジ止め等で固定することで、接続部材１１２が形成されるようになっている。ここで、図２では、アクチュエータ１５０のシリンダ軸がＺ軸と平行となっている場合の状態が示されている。
【００３８】
上記のＬ字状部材１１２Lは、上腕外骨格部材１１１の−Ｘ方向側において、上腕外骨格部材１１１に固定的に接続されている。また、上記のＵ字状部材１１２UにおけるＹ方向に垂直な２つの平板部には、それぞれ、アクチュエータ１５０（より詳しくは、後述するシリンダ１５１）を係止するための挿入穴が成形加工されている。そして、Ｕ字状部材１１２Uは、アクチュエータ１５０をＵ字形に取り囲み、２つの挿入穴を利用して後述するシリンダ１５１に着脱可能に取り付けられる突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を挿入し、肘関節の回動方向と略平行な方向で、アクチュエータ１５０を回動可能に係止している。
【００３９】
図１に戻り、上記の第１歯車部材１１３は、本実施形態では、軸部材ＡＸ１を中心軸とする円柱形状の鋼鉄製の部材である。第１歯車部材１１３は、上腕外骨格部材１１１の肘関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。そして、第１歯車部材１１３の外周部には、歯すじが軸に平行な歯部が形成されている。ここで、軸部材ＡＸ１の軸方向は、肘関節の回動運動の回動軸と略平行となるＹ軸方向と平行になっている。
【００４０】
上記の前腕外骨格部材１２１は、例えば、鋼鉄製の部材であり、図３（Ａ），（Ｂ）により総合的に示されるように、長板状の長板状外骨格部材１２１1と、前腕保持部材１２１2とから構成されている。そして、長板状外骨格部材１２１1と前腕保持部材１２１2とを不図示のネジ止め等で固定することで、前腕外骨格部材１２１が形成されるようになっている。ここで、図３における座標系（Ｕ，Ｙ，Ｗ）は、右前腕部が肘関節から延びる方向を＋Ｕ方向、人体の右側から左側へと向かう方向を＋Ｙ方向、右前腕部の内側へ向かうＵ軸と垂直な方向を＋Ｗ方向とする座標系である。そして、図３（Ａ）には、前腕外骨格部材１２１のＵ方向視図が示され、図３（Ｂ）には、前腕外骨格部材１２１のＷ方向視図が示されている。
【００４１】
上記の長板状外骨格部材１２１1は、右前腕部が肘関節から延びる方向に沿って、右前腕部の右側（−Ｙ方向側）に配置される。また、上記の前腕保持部材１２１2は、右前腕部を下方側（−Ｗ方向側）から保持する。そして、前腕外骨格部材１２１は、布製のベルト部材１２７，１２８により右前腕部に固定される（図１参照）。
【００４２】
図１に戻り、上記の第２歯車部材１２３は、本実施形態では、上述した第１歯車部材１１３と同様に、軸部材ＡＸ２を中心軸とする円柱形状の鋼鉄製の部材である。第２歯車部材１２３は、前腕外骨格部材１２１の肘関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。そして、第２歯車部材１２３の外周部には、第１歯車部材１１３と噛合する歯すじが軸に平行な歯部が形成されている。
【００４３】
ここで、軸部材ＡＸ２の軸方向は、軸部材ＡＸ１の軸方向と平行になっている。また、第１歯車部材１１３及び第２歯車部材１２３の歯数比は、後述するピストンロッド１５３の往復運動の行程距離、第２アーム部材１４２の長さ等に基づいて、上腕外骨格部材１１１と前腕外骨格部材１２１との交差角度が、肘関節の好適な可動範囲となるように設定されている。また、第１歯車部材１１３及び第２歯車部材１２３の歯数比は、関節運動をアシストするに際して、アシストされた結果として行われる関節運動が、関節運動アシスト装置１００が装着された人にとって滑らかに感じられる関節運動となるようにも調整されている。
【００４４】
上記の第１アーム部材１４１は、例えば、平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように配設される。第１アーム部材１４１には、第１歯車部材１１３と第２歯車部材１２３との噛合を確保するための２つの挿入穴が成形加工されている。ここで、当該２つの挿入穴間の距離は、第１歯車部材１１３のピッチ円半径及び第２歯車部材１２３のピッチ円半径の和と等しくなっている。第１アーム部材１４１の一方の挿入穴には、第１歯車部材１１３の軸部材ＡＸ１が、第１アーム部材１４１が軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入され、他方の挿入穴には、第２歯車部材１２３の軸部材ＡＸ２が回動可能に挿入される。
【００４５】
上記の第２アーム部材１４２は、例えば、平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように配設される。第２アーム部材１４２には、２つの挿入穴が成形加工されている。第２アーム部材１４２の一方の挿入穴には、第１歯車部材１１３の軸部材ＡＸ１が、第２アーム部材１４２が軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入される。また、第２アーム部材１４２の他方の挿入穴には、アクチュエータ１５０を構成する後述するピストンロッド１５３における下端部に設けられた突起部ＪＴＲが回動可能に挿入される。ここで、第２アーム部材１４２の長さは、肘関節運動のアシストをするに際して、肘関節にとって好適な回転角度及び好適なトルクとなるように設定されている。
【００４６】
ここで、第１アーム部材１４１と第２アーム部材１４２とは固定されている。このため、第２歯車部材１２３とピストンロッド１５３における下端部とが、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを回動可能となっている。
【００４７】
上記のアクチュエータ１５０は、図１及び図４により総合的に示されるように、シリンダ１５１と、直動ピストン１５２と、ピストンロッド１５３とを備えている。ここで、図４には、シリンダ軸がＺ軸と平行になっているときのアクチュエータ１５０のＹＺ断面図が示されている。
【００４８】
上記のシリンダ１５１は、例えば、円筒状の部材であり、シリンダ１５１の長さ方向の両端部は閉塞されており、−Ｚ方向側の一方の端部をピストンロッド１５３が貫通している。また、シリンダ１５１の−Ｚ方向側の外側円筒面には、２つの突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2が、Ｙ軸と平行であり、かつ、円筒中心軸に対向する＋Ｙ方向側面、−Ｙ方向側面に取り付けられている。そして、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2が、上述した接続部材１１２に形成加工された２つの挿入穴に挿入されることにより、シリンダ１５１が、肘関節の回動方向と略平行な方向で、上腕外骨格部材１１１に固定的に接続されている接続部材１１２に回動可能に取り付けられる。
【００４９】
また、シリンダ１５１には、シリンダ１５１内への空気の供給、及び、シリンダ１５１内からの空気の吸引を行うための第１給排気ポートＰＴ１と第２給排気ポートＰＴ２とが設けられている。ここで、第１給排気ポートＰＴ１は配管１９１と接続され、第２給排気ポートＰＴ２は、配管１９２と接続されている。また、シリンダ１５１内には、直動ピストン１５２の摺動範囲を規制するためのストッパＳＴ１，ＳＴ２が取り付けられる。このため、直動ピストン１５２は、ＳＴ１〜ＳＴ２の間で摺動可能となっている。
【００５０】
上記の直動ピストン１５２は、例えば、円柱形状の部材であり、直動ピストン１５２の外径は、シリンダ１５１の内径と略等しくなっている。直動ピストン１５２の外周部には、環状の弾性シール部材が取り付けられており、直動ピストン１５２は、シリンダ１５１内に対して往復摺動自在に嵌め込まれている。
【００５１】
こうして直動ピストン１５２がシリンダ１５１内に嵌め込まれることで、シリンダ１５１の内部空間は、第１シリンダ室ＳＲ１と第２シリンダ室ＳＲ２とに仕切られている。ここで、第１シリンダ室ＳＲ１には、上述した第１給排気ポートＰＴ１が設けられている。また、第２シリンダ室ＳＲ２には、上述した第２給排気ポートＰＴ２が設けられている。
【００５２】
上記のピストンロッド１５３は、例えば、円柱形状の部材であり、ピストンロッド１５３の外径は、シリンダ１５１の外径より小さくなっている。ピストンロッド１５３における一方の端部は、直動ピストン１５２の往復運動方向の一端部に連結されており、ピストンロッド１５３は、シリンダ１５１を貫通している。また、ピストンロッド１５３における他方の端部の−Ｙ方向側には、第２アーム部材１４２の他方の挿入穴に挿入される突起部ＪＴＲが、取り付けられている。
【００５３】
上記の調整部１８０は、配管１９１を介して、シリンダ１５１における第１シリンダ室ＳＲ１と連通している。また、調整部１８０は、配管１９２を介して第２シリンダ室ＳＲ２と連通している。そして、調整部１８０は、配管１９１を通じて、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給、及び、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引を行うとともに、配管１９２を通じて、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給、及び、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引を行うことで、シリンダ１５１内における直動ピストン１５２の行程を調整する。
【００５４】
かかる機能を有する調整部１８０は、図５に示されるように、加圧ポンプ１８１と、減圧ポンプ１８２と、電気−空気圧制御弁１８３と、制御部１８４と、配管１８５，１８６とを備えている。
【００５５】
上記の加圧ポンプ１８１は、配管１８５を介して、電気−空気圧制御弁１８３の一方の入口側と接続されている。この加圧ポンプ１８１は、シリンダ１５１内への空気の供給を行う際に利用される。上記の減圧ポンプ１８２は、配管１８６を介して、電気−空気圧制御弁１８３の他方の入口側と接続されている。この減圧ポンプ１８２は、シリンダ１５１内からの空気の吸引を行う際に、利用される。
【００５６】
上記の電気−空気圧制御弁１８３は、流路切換４方向弁と、圧力制御弁（比例ソレノイド）とを備えて構成されている。この流路切換４方向弁の入口側の一方が加圧ポンプ１８１に接続されているとともに、入口側の他方が減圧ポンプ１８２に接続されている。
【００５７】
そして、流路切換４方向弁は、制御部１８４による制御のもとで、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引を行う際には、加圧ポンプ１８１と接続されている配管１８５と、配管１９１とを接続して流路を形成するとともに、減圧ポンプ１８２と接続されている配管１８６と、配管１９２とを接続して流路を形成する。また、流路切換４方向弁は、制御部１８４による制御のもとで、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給を行う際には、減圧ポンプ１８２と接続されている配管１８６と、配管１９１とを接続して流路を形成するとともに、加圧ポンプ１８１と接続されている配管１８５と、配管１９２とを接続して流路を形成する。
【００５８】
また、圧力制御弁は、制御部１８４による制御のもとで、配管１９１及び配管１９２の空気圧力を制御し、シリンダ１５１における第１シリンダ室ＳＲ１内の空気圧力と第２シリンダ室ＳＲ２内の空気圧力との差圧を変化させる。
【００５９】
上記の制御部１８４は、第１及び第２シリンダ室ＳＲ１，ＳＲ２内の空気の供給／吸引の切り換え、及び、圧力調整を行うことで、直動ピストン１５２のプッシュ・プル制御を実行する。かかる制御は、実験、シミュレーション、経験等を加味した関節を駆動する筋力に関する生体情報に基づいて行われるようになっている。ここで、関節を駆動する筋力に関する生体情報は、不図示の検出部が、筋電図、筋肉の硬さ等を検出することで、取得するようにすることができる。
【００６０】
［動作］
以上のようにして構成された関節運動アシスト装置１００の動作、すなわち、肘関節の機構を利用する関節運動のアシスト動作を説明する。
【００６１】
なお、関節運動アシスト装置１００では、当初においては、調整部１８０によるシリンダ１５１内の空気圧調整は行われていないものとする。また、当初においては、図１及び図６（Ａ）に示されるように、肘関節は、伸展状態にあるものとする。
【００６２】
ここで、図６（Ａ），（Ｂ）に示される関節運動アシスト装置１００では、調整部１８０、配管１９１，１９２、ベルト部材１１７，１１８，１２７，１２８、及び、人体の腕部位等の図示を省略している。
【００６３】
この関節運動のアシスト動作は、肘関節を伸展状態から屈曲状態にする際には、制御部１８４が、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引を行うための制御を行う。
【００６４】
調整部１８０により、配管１９１を通じて、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給が行われるとともに、配管１９２を通じて、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引が行われると、シリンダ１５１内の直動ピストン１５２が、−Ｚ方向へ摺動する（図４参照）。この直動ピストンの−Ｚ方向への摺動に伴い、直動ピストン１５２に連結されているピストンロッド１５３が−Ｚ方向へ移動し、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が伸長する行程となる（以下、単に「ピストンロッドの伸長行程」とも記す）。
【００６５】
ピストンロッド１５３の伸長行程において、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が伸長したときの関節運動アシスト装置１００の状態が、図６（Ｂ）に示されている。図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド１５３の伸長行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、＋Ｙ方向を視線方向としたＸＺ平面視で反時計回り（以下、単に「反時計回り」とも記す）に回転する。
【００６６】
このとき、接続部材１１２に肘関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に取り付けられているシリンダ１５１は、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を軸として、反時計回りに回転する。この結果、ピストンロッド１５３の伸長行程前と伸長行程後とにおいて、シリンダ軸ＳＡＸとＺ軸とのなす角度が、例えば、角度θC（図６（Ａ）参照）から角度θE(＞θC) （図６（Ｂ）参照）に変化する。
【００６７】
ピストンロッド１５３の下端部が、反時計回りに回転すると、第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、反時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、反時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として反時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、反時計回りに回転する。この結果、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が狭まり、肘関節は伸展状態から屈曲状態になる。
【００６８】
また、肘関節が屈曲状態であるとき（図６（Ｂ）参照）に、肘関節を屈曲状態から伸展状態にする際には、制御部１８４が、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給を行うための制御を行う。
【００６９】
かかる制御のもとで、配管１９１を通じて、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引が行われるとともに、配管１９２を通じて、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給が行われると、シリンダ１５１内の直動ピストン１５２が、＋Ｚ方向へ摺動する（図４参照）。この直動ピストンの＋Ｚ方向への摺動に伴い、直動ピストン１５２に連結されているピストンロッド１５３が＋Ｚ方向へ移動し、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が収縮する行程となる（以下、単に「ピストンロッドの収縮行程」とも記す）。
【００７０】
ピストンロッド１５３の収縮行程において、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が収縮したときの関節運動アシスト装置１００の状態が、図６（Ａ）に示されている。図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド１５３の収縮行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、＋Ｙ方向を視線方向としたＸＺ平面視で時計回り（以下、単に「時計回り」とも記す）に回転する。このとき、接続部材１１２に係止されているシリンダ１５１は、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を軸として、時計回りに回転する。この結果、ピストンロッド１５３の収縮行程前と収縮行程後とにおいて、シリンダ軸ＳＡＸとＺ軸とのなす角度が、例えば、角度θE（図６（Ｂ）参照）から角度θC（図６（Ａ）参照）に変化する。
【００７１】
ピストンロッド１５３の下端部が、時計回りに回転すると、第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、時計回りに回転する。この結果、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が広がり、肘関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態では、調整部１８０により、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給が行われるとともに、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引が行われると、シリンダ１５１内の直動ピストン１５２が、−Ｚ方向へ摺動する。この直動ピストンの−Ｚ方向への摺動に伴い、ピストンロッド１５３が−Ｚ方向へ移動するピストンロッド１５３の伸長行程となる。
【００７３】
ピストンロッド１５３の伸長行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、反時計回りに回転すると、第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、反時計回りの回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、反時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として反時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、反時計回りに回転する。この結果、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が狭まり、肘関節は伸展状態から屈曲状態になる。
【００７４】
また、調整部１８０により、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引が行われるとともに、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給が行われると、シリンダ１５１内の直動ピストン１５２が、＋Ｚ方向へ摺動する。この直動ピストンの＋Ｚ方向への摺動に伴い、ピストンロッド１５３が＋Ｚ方向へ移動するピストンロッド１５３の収縮行程となる。
【００７５】
ピストンロッド１５３の収縮行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、時計回りに回転すると、第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、時計回りの回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、時計回りに回転する。この結果、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が広がり、肘関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【００７６】
したがって、本実施形態によれば、構造がコンパクトであるとともに、肘関節の関節運動を適切にアシストすることができる。
【００７７】
［実施形態の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００７８】
例えば、上記の実施形態では、人体の肘関節の機構を利用して行われる関節運動をアシストする関節運動アシスト装置としたが、例えば、股関節の運動をアシストする装置であってもよい。
【００７９】
＜第１変形例＞
第１変形例に係る股関節の機構を利用して行われる関節運動をアシストする関節運動アシスト装置について、図７及び図８を主に参照して説明する。
【００８０】
《構成》
図７には、第１変形例に係る関節運動アシスト装置２００の外観図が示されている。この図７は、人体の腰部及び大腿部に装着される関節運動アシスト装置２００を、股関節が伸展状態にあるときの人体の右側から眺めた外観図（ＸＺ平面視図）である。
【００８１】
ここで、図７における座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、関節運動アシスト装置２００が人体に装着された場合に、人体の正面方向を＋Ｘ方向、人体の右側から左側へと向かう方向を＋Ｙ方向、腰部から背部へと向かう方向を＋Ｚ方向とする座標系である。このため、当該座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）では、Ｙ軸方向と股関節の回動運動の回動軸方向とが略平行となっている。
【００８２】
図７に示されるように、関節運動アシスト装置２００は、第１外骨格部材の一部としての腰外骨格部材２１１と、第１外骨格部材の一部としての接続部材２１２と、第１歯車部材２１３と、ベルト部材２１７とを備えている。また、関節運動アシスト装置２００は、第２外骨格部材としての大腿外骨格部材２２１と、第２歯車部材２２３と、ベルト部材２２７，２２８とを備えている。さらに、関節運動アシスト装置２００は、第１連接部材としての第１アーム部材２４１と、第２連接部材としての第２アーム部材２４２と、アクチュエータ２５０と、調整部２８０と、配管２９１，２９２とを備えている。
【００８３】
上記の腰外骨格部材２１１は、例えば、鋼鉄製の部材であり、ＸＺ平面視で、クランク形状に成形加工されている。この腰外骨格部材２１１は、腰部が股関節から背部へと延びる方向に沿って、腰部の右側（−Ｙ方向側）に配置され、布製のベルト部材２１７により腰部右側に固定される。
【００８４】
上記の接続部材２１２は、上述した実施形態の接続部材１１２と同様に、ＸＹ平面視で、Ｌ字状に成形加工されたＬ字状部材と、Ｕ字状に成形加工された２つの挿入穴を有するＵ字状部材とから構成されている（図２参照）。そして、接続部材２１２は、腰外骨格部材２１１の−Ｘ方向側において、腰外骨格部材２１１に固定的に接続されるとともに、アクチュエータ２５０をＵ字形に取り囲み、２つの挿入穴を利用して、股関節の回動方向と略平行な方向で、アクチュエータ２５０を回動可能に係止する。
【００８５】
上記の第１歯車部材２１３は、上述した実施形態の第１歯車部材１１３と同様に構成され、腰外骨格部材２１１の股関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。
【００８６】
上記の大腿外骨格部材２２１は、例えば、長板状の鋼鉄製の部材である。この大腿外骨格部材２２１は、右大腿部が股関節から延びる方向に沿って、右大腿部の右側（−Ｙ方向側）に配置され、布製のベルト部材２２７，２２８により右大腿部に固定される。
【００８７】
上記の第２歯車部材２２３は、上述した実施形態の第２歯車部材１２３と同様に構成され、大腿外骨格部材２２１の股関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。ここで、第１歯車部材２１３及び第２歯車部材２２３の歯数比は、後述するピストンロッド２５３の往復運動の行程距離、第２アーム部材２４２の長さ等に基づいて、腰外骨格部材２１１と大腿外骨格部材２２１との交差角度が、股関節の好適な可動範囲となるように設定されている。
【００８８】
上記の第１アーム部材２４１は、上述した実施形態の第１アーム部材１４１と同様に、２つの挿入穴が成形加工された平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように配置される。この第１アーム部材２４１の一方の挿入穴には、第１歯車部材２１３の軸部材ＡＸ１が、第１アーム部材２４１が軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入され、他方の挿入穴には、第２歯車部材２２３の軸部材ＡＸ２が回動可能に挿入される。
【００８９】
上記の第２アーム部材２４２は、上述した実施形態の第２アーム部材１４２と同様に、２つの挿入穴が成形加工された平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように配置される。この第２アーム部材２４２の一方の挿入穴には、第１歯車部材２１３の軸部材ＡＸ１が、第２アーム部材２４２が軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入される。また、第２アーム部材２４２の他方の挿入穴には、アクチュエータ２５０を構成するピストンロッド２５３における下端部に設けられた突起部ＪＴＲが回動可能に挿入される。ここで、第２アーム部材２４２の長さは、股関節運動のアシストをするに際して、股関節にとって好適な回転角度及び好適なトルクとなるように設定されている。
【００９０】
ここで、第１アーム部材２４１と第２アーム部材２４２とは固定されている。このため、第２歯車部材２２３とピストンロッド２５３における下端部とが、第１歯車部材２１３の中心軸の回りを回動可能となっている。
【００９１】
上記のアクチュエータ２５０は、上述した実施形態のアクチュエータ１５０と同様に構成さている（図１、図４参照）。すなわち、アクチュエータ２５０は、シリンダ１５１と同様に構成されたシリンダ２５１と、直動ピストン１５２と同様に構成された直動ピストン２５２と、ピストンロッド１５３と同様に構成されたピストンロッド２５３とを備えている。なお、アクチュエータ２５０を接続部材２１２に回動可能に係止するための２つの突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2は、本第１変形例では、シリンダ２５１の＋Ｚ方向側の外側円筒面に取り付けられている。
【００９２】
上記の調整部２８０は、上述した実施形態の調整部１８０と同様に構成さている（図１、図５参照）。すなわち、調整部２８０は、加圧ポンプ１８１と同様に構成された加圧ポンプ、減圧ポンプ１８２と同様に構成された減圧ポンプと、電気−空気圧制御弁１８３と同様に構成された電気−空気圧制御弁、制御部１８４と同様に構成された制御部と、配管１８５，１８６と同様に構成された配管とを備えている。
【００９３】
この調整部２８０は、配管２９１を介して、シリンダ２５１における第１シリンダ室ＳＲ１と連通している。また、調整部２８０は、配管２９２を介して第２シリンダ室ＳＲ２と連通している。そして、調整部２８０は、上述した実施形態の調整部１８０と同様に、第１及び第２シリンダ室ＳＲ１，ＳＲ２内の空気の供給／吸引の切り換え、及び、圧力調整を行うことで、直動ピストン２５２のプッシュ・プル制御を実行する。
【００９４】
《動作》
以上のようにして構成された関節運動アシスト装置２００の動作、すなわち、股関節の機構を利用する関節運動のアシスト動作に着目して説明する。
【００９５】
なお、当初においては、図７及び図８（Ａ）に示されるように、股関節は、伸展状態にあるものとする。また、図８（Ａ），（Ｂ）に示される関節運動アシスト装置２００では、調整部２８０、配管２９１，２９２、ベルト部材２１７，２２７，２２８、及び、人体の腰部、大腿部等の図示を省略している。
【００９６】
股関節運動のアシスト動作は、股関節を伸展状態から屈曲状態にする際には、調整部２８０が、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引を行う。この結果、シリンダ２５１内の直動ピストン２５２が、−Ｚ方向へ摺動し（図４参照）、シリンダ２５１からのピストンロッド２５３の突出部分が伸長するピストンロッド２５３の伸長行程となる。
【００９７】
ピストンロッド２５３の伸長行程において、シリンダ２５１からのピストンロッド２５３の突出部分が伸長したときの関節運動アシスト装置２００の状態が、図８（Ｂ）に示されている。図８（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド２５３の伸長行程により、ピストンロッド２５３の下端部が、第１歯車部材２１３の中心軸の回りを、＋Ｙ方向を視線方向としたＸＺ平面視で反時計回りに回転する。このとき、接続部材２１２に股関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に取り付けられているシリンダ２５１は、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を軸として、反時計回りに回転する。この結果、ピストンロッド２５３の伸長行程前と伸長行程後とにおいて、シリンダ軸ＳＡＸの方向が、例えば、Ｚ軸に対して時計回り方向にある状態（図８（Ａ）参照）から、Ｚ軸に対して反時計回り方向（図８（Ｂ）参照）に変化する。
【００９８】
ピストンロッド２５３の下端部が、反時計回りに回転すると、上述した実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、第１及び第２アーム部材２４１，２４２を介して、第２歯車部材２２３に、股関節の回動方向と略平行な方向で、反時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材２２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材２２３における第１歯車部材２１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材２２３が、反時計回りに自転しつつ、第１歯車部材２１３の中心軸を中心として反時計回りに公転する。こうして第２歯車部材２２３が自公転すると、第２歯車部材２２３に固定的に接続されている大腿外骨格部材２２１が、反時計回りに回転する。この結果、腰部に固定されている腰外骨格部材２１１と、大腿部に固定されている大腿外骨格部材２２１とが交差する角度が狭まり、股関節は伸展状態から屈曲状態になる。
【００９９】
また、股関節が屈曲状態であるとき（図８（Ｂ）参照）に、股関節を屈曲状態から伸展状態にする際には、調整部２８０が、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給を行う。この結果、シリンダ２５１内の直動ピストン２５２が、＋Ｚ方向へ摺動し（図４参照）、シリンダ２５１からのピストンロッド２５３の突出部分が収縮するピストンロッド２５３の収縮行程となる。
【０１００】
ピストンロッド２５３の収縮行程において、シリンダ２５１からのピストンロッド２５３の突出部分が収縮したときの関節運動アシスト装置２００の状態が、図８（Ａ）に示されている。図８（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド２５３の収縮行程により、ピストンロッド２５３の下端部が、第１歯車部材２１３の中心軸の回りを、時計回りに回転する。このとき、接続部材２１２に股関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に取り付けられているシリンダ２５１は、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を軸として、時計回りに回転する。この結果、ピストンロッド２５３の収縮行程前と収縮行程後とにおいて、シリンダ軸ＳＡＸの方向が、例えば、Ｚ軸に対して反時計回り方向にある状態（図８（Ｂ）参照）から、Ｚ軸に対して時計回り方向（図（Ａ）参照）に変化する。
【０１０１】
こうしてピストンロッド２５３の下端部が、時計回りに回転すると、上述した実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、第１及び第２アーム部材２４１，２４２を介して、第２歯車部材２２３に、股関節の回動方向と略平行な方向で、時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材２２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材２２３における第１歯車部材２１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材２２３が、時計回りに自転しつつ、第１歯車部材２１３の中心軸を中心として時計回りに公転する。こうして第２歯車部材２２３が自公転すると、第２歯車部材２２３に固定的に接続されている大腿外骨格部材２２１が、時計回りに回転する。この結果、腰部に固定されている腰外骨格部材２１１と、大腿部に固定されている大腿外骨格部材２２１とが交差する角度が広がり、股関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【０１０２】
したがって、股関節の運動をアシストする第１変形例によれば、構造がコンパクトであるとともに、股関節の関節運動を適切にアシストすることができる。
【０１０３】
＜第２変形例＞
次に、第２変形例に係る肘関節の機構を利用して行われる関節運動をアシストする関節運動アシスト装置について、図９を主に参照して説明する。
【０１０４】
《構成》
図９には、第２変形例に係る関節運動アシスト装置１００Ｂの外観図が示されている。ここで、図９（Ａ）には、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が収縮しているときの状態が示され、図９（Ｂ）には、当該突出部分が伸長しているときの状態が示されている。
【０１０５】
図９（Ａ），（Ｂ）に示されるように、関節運動アシスト装置１００Ｂは、上述した実施形態の関節運動アシスト装置１００（図１、図６（Ａ），（Ｂ）参照）と比べて、シリンダ１５１が接続部材１１２に対して回動可能に取り付けられるのではなく、接続部材１１２に固定的に取り付けられている点、及び、第２アーム部材１４２に代えて第２アーム部材１４２Ｂを備える点が異なっている。以下、これらの相違点に主に着目して、説明を行う。
【０１０６】
なお、図９（Ａ），（Ｂ）に示される関節運動アシスト装置１００Ｂでは、図６（Ａ），（Ｂ）と同様に、調整部１８０、配管１９１，１９２、ベルト部材１１７，１１８，１２７，１２８、及び、人体の腕部位等の図示を省略している。
【０１０７】
関節運動アシスト装置１００Ｂでは、シリンダ１５１の円筒中心軸に対向するシリンダ１５１の＋Ｙ方向側面、−Ｙ方向側面それぞれに、ネジ穴が形成加工されている。そして、シリンダ１５１は、接続部材１１２によりＵ字形に取り囲まれ、接続部材１１２の２つの挿入穴を利用して、ネジ部材ＳＲＳ1，ＳＲＳ2（ネジ部材ＳＲＳ2については不図示）が当該ネジ穴に挿入される。
【０１０８】
上記の第２アーム部材１４２Ｂは、上述した実施形態の第２アーム部材１４２と同様に、例えば、平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸と垂直となるように配設される。第２アーム部材１４２Ｂには、挿入穴及び収容部としての長穴ＬＬが成形加工されている。第２アーム部材１４２Ｂの挿入穴には、第１歯車部材１１３の軸部材ＡＸ１が、第２アーム部材１４２Ｂが軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入される。また、第２アーム部材１４２の長穴ＬＬには、ピストンロッド１５３における下端部に設けられた突起部ＪＴＲが長穴方向に沿って移動可能に挿入される。
【０１０９】
《動作》
以上のようにして構成された関節運動アシスト装置１００Ｂの動作、すなわち、肘関節の機構を利用する関節運動のアシスト動作に着目して説明する。
【０１１０】
なお、当初においては、図９（Ａ）に示されるように、肘関節は、伸展状態にあるものとする。
【０１１１】
肘関節運動のアシスト動作は、肘関節を伸展状態から屈曲状態にする際には、調整部１８０によるシリンダ室内の空気圧調整により、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分を伸長させる。ピストンロッド１５３の伸長行程において、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が伸長したときの関節運動アシスト装置１００Ｂの状態が、図９（Ｂ）に示されている。図９（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド１５３の伸長行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、−Ｚ方向に直線運動する。
【０１１２】
こうしてピストンロッド１５３の下端部が、−Ｚ方向に直線運動すると、当該下端部と第１歯車部材１１３との距離が変化しつつ、第２アーム部材１４２Ｂが、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、＋Ｙ方向を視線方向としたＸＺ平面視で反時計回りに回転する。このとき、第２アーム部材１４２Ｂの長穴に挿入されている突起部ＪＴＲの当該長穴における位置が変化するので、ピストンロッド１５３の下端部の−Ｚ方向へ直線運動、及び、第２アーム部材１４２Ｂの回転を妨げることはない。
【０１１３】
第２アーム部材１４２Ｂが、反時計回りに回転すると、上述した実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、第１アーム部材１４１を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、反時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３が、反時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として反時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、反時計回りに回転する。この結果、実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が狭まり、肘関節は伸展状態から屈曲状態になる。
【０１１４】
また、肘関節が屈曲状態であるとき（図９（Ｂ）参照）に、肘関節を屈曲状態から伸展状態にする際には、調整部１８０によるシリンダ室内の空気圧調整により、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分を収縮させる。
【０１１５】
ピストンロッド１５３の収縮行程において、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が収縮したときの関節運動アシスト装置１００Ｂの状態が、図９（Ａ）に示されている。図９（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド１５３の収縮行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、＋Ｚ方向に直線運動する。
【０１１６】
こうしてピストンロッド１５３の下端部が、＋Ｚ方向に直線運動すると、当該下端部と第１歯車部材１１３との距離が変化しつつ、第２アーム部材１４２Ｂが、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、時計回りに回転する。このとき、第２アーム部材１４２Ｂの長穴におけるピストンロッド１５３の下端部の位置が変化するので、ピストンロッド１５３の下端部の＋Ｚ方向へ直線運動、及び、第２アーム部材１４２Ｂの回転を妨げることはない。
【０１１７】
第２アーム部材１４２Ｂが、時計回りに回転すると、上述した実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、第１アーム部材１４１を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３が、時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、時計回りに回転する。この結果、実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が広がり、肘関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【０１１８】
したがって、肘関節の運動をアシストする第２変形例によれば、構造がコンパクトであるとともに、肘関節の関節運動を適切にアシストすることができる。
【０１１９】
なお、上記の実施形態及び第２変形例では、人体の右肘関節の運動をアシストする関節運動アシスト装置を説明したが、左肘関節の運動をアシストする関節運動アシスト装置であってもよいことは勿論である。また、上記の第１変形例では、人体の右側股関節の運動をアシストする関節運動アシスト装置を説明したが、左側股関節の運動をアシストする関節運動アシスト装置であってもよいことも勿論である。
【０１２０】
また、実施形態に対する第１変形例への変形、すなわち、股関節の運動アシストへの採用を、第２変形例に適用することができるのは勿論である。
【０１２１】
また、肘関節や股関節以外の例えば膝関節等の運動をアシストするに際して、本発明の関節運動アシスト装置を適用することができるのは勿論である。
【０１２２】
上記の実施形態、第１及び第２変形例では、第１歯車部材及び第２歯車部材を、円柱形状の外周部に歯部が形成された外歯車とした。これに対して、図１０（Ａ）のＹ方向視図及び図１０（Ｂ）のＸ方向視図により総合的に示されるように、軸部材ＡＸ１を中心軸とする有底円筒形状の部材の内周部に歯部が形成された内歯車を第１歯車部材１１３Ｃとし、軸部材ＡＸ２を中心軸とする円柱形状の部材の外周部に歯部が形成された外歯車を第２歯車部材１２３Ｃとするようにしてもよい。
【０１２３】
第１歯車部材１１３Ｃは、＋Ｙ方向側に底面を有しており、当該底面に軸部材ＡＸ１が取り付けられている。そして、第１歯車部材１１３Ｃは、上腕外骨格部材１１１の肘関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。また、第２歯車部材１２３Ｃは、前腕外骨格部材１２１の肘関節側端部の＋Ｙ方向側に固定的に接続されている。
【０１２４】
この場合には、第１歯車部材及び第２歯車部材が外歯車である場合と異なり、ピストンロッド１５３の収縮行程の際には、２つの外骨格部材が交差する角度が狭まり、関節は伸展状態から屈曲状態になる。また、ピストンロッド１５３の伸長行程の際には、２つの外骨格部材が交差する角度が広がり、関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【０１２５】
また、第１歯車部材及び第２歯車部材として、図１１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、軸部材ＡＸ１を中心軸とする楕円柱形状の部材の外周部に歯部が形成された外歯車を第１歯車部材１１３Ｄとし、軸部材ＡＸ２を中心軸とする楕円柱形状の部材の外周部に歯部が形成された外歯車を第２歯車部材１２３Ｄとするようにしてもよい。ここで、図１１（Ａ）には、シリンダからのピストンロッド１５３の突出部分が収縮しているときの状態が示され、図１１（Ｂ）には、当該突出部分が伸長しているときの状態が示されている。
【０１２６】
この場合には、第２歯車部材１２３Ｄが、第１歯車部材１１３Ｄの回りを回転する際に、軸部材ＡＸ１，ＡＸ２間の距離が変化する。このため、当該距離の変化に対応した図１１に示される構造のバネ部材ＳＰを有する第１アーム部材１４１Ｄを採用するようにすることができる。第１アーム部材１４１Ｄは、例えば、平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように第１及び第２歯車部材１１３Ｄ，１２３Ｄの−Ｙ方向側に配置されている。この第１アーム部材１４１Ｄには、軸挿入穴と長穴ＬＨとが形成加工されている。そして、軸挿入穴には、第１歯車部材１１３Ｄの軸部材ＡＸ１が、第１アーム部材１４１Ｄが軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入される。また、長穴ＬＨには、第２歯車部材１２３Ｄの軸部材ＡＸ２が長穴方向に沿って移動可能に挿入される。
【０１２７】
そして、本変形例では、バネ部材ＳＰの一方の端部にはリングが取り付けられ、当該リングには、軸部材ＡＸ１が回動可能に挿入される。また、バネ部材ＳＰの他方の端部にもリングが取り付けられ、当該リングに軸部材ＡＸ２が回動可能に挿入される。この結果、軸部材ＡＸ１，ＡＸ２間の距離が変化した際にも、軸部材ＡＸ２が長穴ＬＨの長さ方向に移動可能であるため、第１歯車部材１１３Ｄと第２歯車部材１２３Ｄとの噛合を確保することができる。
【０１２８】
ここで、本変形例では、第１アーム部材１４１Ｄは、第１及び第２歯車部材１１３Ｄ，１２３Ｄの−Ｙ方向側に配置されるようにしたが、第１アーム部材１４１Ｄと同様に構成された第１アーム部材を、第１及び第２歯車部材１１３Ｄ，１２３Ｄの＋Ｙ方向側にも配置し、第１及び第２歯車部材１１３Ｄ，１２３Ｄそれぞれを貫く軸部材ＡＸ１及び軸部材ＡＸ２を、−Ｙ方向側及び＋Ｙ方向側に配置された２つの第１アーム部材の軸挿入穴それぞれ及び長穴ＬＨそれぞれに挿入するようにしてもよい。この場合には、第２アーム部材１４２と同様に構成された第２アーム部材を、第１歯車部材１１３Ｄの＋Ｙ方向側にも配置するとともに、ピストンロッド１５３における下端部の＋Ｙ方向側にも突起部ＪＴＲ’を取り付ける（図１２参照）。そして、第１歯車部材１１３Ｄを貫く軸部材ＡＸ１を、−Ｙ方向側及び＋Ｙ方向側に配置された２つの第２アーム部材の一方の挿入穴それぞれに回動可能に挿入する。また、ピストンロッド１５３の−Ｙ方向側に設けられた突起部ＪＴＲ及び＋Ｙ方向側に設けられた突起部ＪＴＲ’を、−Ｙ方向側及び＋Ｙ方向側に配置された２つの第２アーム部材の他方の挿入穴それぞれに回動可能に挿入する。
【０１２９】
また、上述した第１及び第２アーム部材を、第１及び第２歯車部材の−Ｙ方向側及び＋Ｙ方向側に配置する構成を、第２変形例に適用することもできる。
【０１３０】
なお、軸部材ＡＸ１，ＡＸ２間の距離の変化に対応するために、第１アーム部材と第２アーム部材とを一体にし、当該一体となった部材に、軸部材ＡＸ１を挿入するための軸挿入穴と、軸部材ＡＸ２を挿入するための長穴ＬＨと、ピストンロッド１５３に設けられた突起部ＪＴＲを挿入するための挿入穴を形成加工する。そして、バネ部材ＳＰにより、軸部材ＡＸ１と軸部材ＡＸ２とを、弾性的に付勢するようにしてもよい。また、軸部材ＡＸ１と軸部材ＡＸ２とを弾性的に付勢するには、バネ部材ＳＰに代えて、ゴム部材等の他の弾性部材を採用してもよいことは勿論である。
【０１３１】
また、上記の実施形態及び変形例では、第１歯車部材及び第２歯車部材の外周部全体又は内周部全体に歯部が形成されることとしたが、関節の可動範囲に対応して、歯部を歯車部材の外周部の一部又は内周部の一部に形成するようにしてもよい。また、第１歯車部材のピッチ円半径と第２歯車部材のピッチ円半径とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【０１３２】
なお、第１歯車部材及び第２歯車部材の形状は、これらに限定されず、円柱形状、円筒形状、楕円柱形状以外の形状をした外歯車や内歯車であってもよい。また、第１歯車部材及び第２歯車部材の歯すじは、平歯車であってもよいし、例えば、歯すじが回動軸に対して斜めとなっているはすば歯車であってもよい。
【０１３３】
また、上記の実施形態及び変形例では、第１及び第２歯車部材を鋼鉄製としたが、当該部材の素材を、例えば、ガラス繊維や炭素繊維を含む繊維強化プラスチック等の軽量かつ強度のある素材であってもよいことは勿論である。
【０１３４】
また、上記の実施形態及び変形例では、第１及び第２アーム部材、上腕外骨格部材、前腕外骨格部材、腰外骨格部材、大腿外骨格部材、並びに、接続部材を鋼鉄製としたが、当該部材の素材を、例えば、ガラス繊維や炭素繊維を含む繊維強化プラスチック、天然素材である竹等の軽量かつ強度のある素材であってもよいことは勿論である。
【０１３５】
また、上記の実施形態及び変形例では、連接部材として第１アーム部材と第２アーム部材とを備えることとしたが、当該第１アーム部材と第２アーム部材とを一体にした連接部材を採用するようにしてもよい。
【０１３６】
また、上記の実施形態及び変形例では、関節運動アシスト装置を人体の部位に装着するために、布製のベルト部材を利用したが、金属ベルト、プラスチックベルト、又は、針金を利用して、関節運動アシスト装置を人体の部位に装着するようにしてもよい。
【０１３７】
また、上記の実施形態及び変形例では、調整部は、加圧ポンプ、減圧ポンプ、電気−空気圧制御弁、制御部等を備える構成としたが（図４参照）、他の構成であってもよい。例えば、ロータリベーン型のエアポンプと、制御部等と備える構成とすることができる。この場合には、制御部による制御のもとで、エアポンプが、シリンダ室への空気の供給、及び、シリンダ室からの空気の吸引を行うことになる。
【０１３８】
また、調整部の構成としては、シリンダ室への空気の供給、及び、シリンダ室からの空気の吸引を行うことのできる手動式のものであってもよい。また、調整部は、直動ピストンにより仕切られた一方のシリンダ室への空気の供給を行い、他方のシリンダ室内の空気を外気に排出することにより、両シリンダ室の差圧を制御するものであってもよい。
【０１３９】
また、上記の実施形態では、関節を駆動する筋肉に関する生体情報を、筋電図、筋肉の硬さ等の生体信号としたが、利用者の脳波を当該生体情報として採用するようにしてもよい。
【０１４０】
また、本発明の関節運動アシスト装置は、作動流体を空気としたが、水や油等の液体であってもよい。
【０１４１】
本発明の関節運動アシスト装置は、介護や福祉の分野で利用する場合には、介護者がパワーアシスト用の装置として装着するだけでなく、力が弱っている被介護者がパワーアシスト用又はリハビリテーション用の装置としても利用することができる。また、本発明の関節運動アシスト装置は、介護や福祉の分野以外で重量物を持ち上げる等の場合のパワーアシスト装置としても利用することができる。
【０１４２】
また、上記の実施形態においては、人体の関節運動をアシストする関節運動アシスト装置に本発明を適用したが、関節機構を有する人体以外の外骨格形の哺乳類、外骨格形のロボット等の所定対象物の関節運動をアシストする関節運動アシスト装置にも本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
以上説明したように、本発明の関節運動アシスト装置は、所定対象物の関節運動をアシストする関節運動アシスト装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１４４】
１００，１００Ｂ，２００…関節運動アシスト装置、１１１…上腕外骨格部材（第１外骨格部材の一部）、１１２…接続部材（第１外骨格部材の一部）、１１２L…Ｌ字状部材、１１２U…Ｕ字状部材、１１３，１１３Ｃ，１１３Ｄ…第１歯車部材、１１７，１１８…ベルト部材、１２１…前腕外骨格部材（第２外骨格部材）、１２１1…長板状外骨格部材、１２１2…前腕保持部材、１２３，１２３Ｃ，１２３Ｄ…第２歯車部材、１２７，１２８…ベルト部材、１４１，１４１Ｄ…第１アーム部材（第１連接部材）、１４２，１４２Ｂ…第２アーム部材（第２連接部材）、１５０…アクチュエータ、１５１…シリンダ、１５２…直動ピストン、１５３…ピストンロッド、１８０…調整部、１８１…加圧ポンプ、１８２…減圧ポンプ、１８３…電気−空気圧制御弁、１８４…制御部、１８５，１８６…配管、１９１，１９２…配管、２１１…腰外骨格部材（第１外骨格部材の一部）、２１２…接続部材（第１外骨格部材の一部）、２１３…第１歯車部材、２１７…ベルト部材、２２１…大腿外骨格部材（第２外骨格部材）、２２３…第２歯車部材、２２７，２２８…ベルト部材、２４１…第１アーム部材（第１連接部材）、２４２…第２アーム部材（第２連接部材）、２５０…アクチュエータ、２５１…シリンダ、２５２…直動ピストン、２５３…ピストンロッド、２８０…調整部、２９１，２９２…配管、ＡＸ１，ＡＸ２…軸部材、ＪＴＳ1，ＪＴＳ2，ＪＴＲ，ＪＴＲ’…突起部、ＬＨ…長穴、ＬＬ…長穴（収容部）、ＰＴ１…第１給排気ポート、ＰＴ２…第２給排気ポート、ＳＰ…バネ部材、ＳＲ１…第１シリンダ室、ＳＲ２…第２シリンダ室、ＳＲＳ1…ネジ部材、ＳＴ１，ＳＴ２…ストッパ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節運動アシスト装置に係り、より詳しくは、所定対象物の関節運動をアシストする外骨格形の関節運動アシスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、要介護者・要看護者の介護・看護に用いられる様々な装置が提案されている。こうした装置の中には、介護者が、身体の自由が効かない寝たきりの高齢者等の被介護者を抱き起したり、抱き下ろしたり、あるいは移動させるための介護用の筋力補助装置がある。
【０００３】
かかる筋力補助装置の一つとして、空気圧によって駆動するアクチュエータを用いたものがある（特許文献１参照：以下、「従来例」と呼ぶ）。この従来例の技術では、一端部を中心に相互に揺動自在に連結された２つの板材、及び、当該２つの板材の間に配置され内部に供給される空気により膨張する袋体からなるアクチュエータ要素を重ねた大型の空気圧アクチュエータを人体における所定箇所に装着した装着部に取り付ける。そして、空気圧アクチュエータにおける袋体を膨張させて、肘関節、股関節及び膝関節の運動を補助するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５１２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来例の技術では、空気圧アクチュエータにおける袋体内への空気の供給を行う際には関節運動をアシストするが、袋体からの空気の吸引によっては関節運動をアシストする力を発生させていない。このように袋体内への空気の供給を行うときのみに当該力が発生するため、特に、股関節運動のアシストは、空気圧アクチュエータへの空気供給による袋体の膨張を、リンク機構によって股関節の伸展力に変換することによって行っている。その結果、装置自体は大規模なものとなっている。このため、装置の介護者への装着が容易ではなく、また、当該装置を装着した介護者の身体的自由を制限してしまう可能性がある。
【０００６】
このように、従来例の技術では、関節の屈曲運動又は伸展運動のいずれか一方のみしかアシストすることができず、筋力補助装置としての機能が限定的なものとなっている。また、従来例の技術では、装置が大規模なものとなっている。このため、関節運動をアシストするに際して、装着が容易であり、かつ、装着者の身体的自由を確保しつつ、所望する関節の屈曲運動及び伸展運動をアシストすることができる技術が待望されている。
【０００７】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、構造がコンパクトであるとともに、関節運動を適切にアシストすることができる関節運動アシスト装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、骨格構造を有する所定対象物に装着し、前記所定対象物の一方側部位と他方側部位とを接続している関節の機構を利用する関節運動をアシストする外骨格形の関節運動アシスト装置であって、前記一方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記一方側部位に固定される第１外骨格部材と；前記他方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記他方側部位に固定される第２外骨格部材と；前記第１外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第１外骨格部材の前記一方側部位への固定時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部及び内周部の一方の少なくとも一部に、歯部が形成された第１歯車部材と；前記第２外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第１歯車部材と噛合可能な歯部が、前記第２外骨格部材の前記他方側部位への固定時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部の少なくとも一部に形成された第２歯車部材と；前記第１外骨格部材に取り付けられたシリンダと；前記シリンダ内を往復運動する直動ピストンに一方の端部が連結され、前記シリンダの一方の端部を貫通し、前記直動ピストンとともに往復直線運動するピストンロッドと；前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保するとともに、前記第２歯車部材が、前記関節の回動運動の回動軸と略平行となる前記第１歯車部材の中心軸の回りを回動可能となるように、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材と前記ピストンロッドにおける他方の端部とを連接する連接部材と；を備え、前記直動ピストンの行程により、前記ピストンロッド及び前記連接部材を介して、前記第２歯車部材に、前記関節の回動方向と略平行な方向で回動する回動力が付与され、前記第２歯車部材が、前記第１歯車部材との噛み合い位置が変化することにより、自転しつつ、前記第１歯車部材の中心軸を中心として公転することで、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が変化し、前記関節の運動をアシストする、ことを特徴とする関節運動アシスト装置である。
【０００９】
この関節運動アシスト装置では、所定対象物に当該装置が装着された場合に、第１外骨格部材に固定的に接続された第１歯車部材の中心軸、及び、当該第１歯車部材と噛合する第２外骨格部材に固定的に接続された第２歯車部材の中心軸が、アシスト対象関節の回動運動の回動軸と略平行となっている。そして、シリンダ内の直動ピストンの行程により、ピストンロッド及び連接部材を介して、第２歯車部材に、関節の回動方向と略平行な方向で回動するための回動力が付与される。第２歯車部材に当該回動力が付与されると、第２歯車部材における第１歯車部材との噛み合い位置が変化し、第２歯車部材が、自転しつつ、第１歯車部材の中心軸を中心として公転する。このようにして第２歯車部材が自公転すると、第２歯車部材に固定的に接続されている第２外骨格部材が、第１歯車部材の中心軸を中心として公転するとともに、第２歯車部材の中心軸を中心として自転する。この結果、第１及び第２歯車部材における歯部の歯数に応じて、所定対象物の一方側部位が固定された第１外骨格部材と、他方側部位が固定された第２外骨格部材とが交差する角度が変化し、受動的に、一方側部位と他方側部位とを接続している関節の運動がアシストされる。
【００１０】
したがって、本発明の関節運動アシスト装置によれば、構造がコンパクトであるとともに、直動ピストンの行程を適切に制御することにより、関節運動を適切にアシストすることができる。
【００１１】
ここで、「所定対象物」は、人体であってもよいし、骨格構造を有する人体以外の対象物であってもよい。
【００１２】
本発明の関節運動アシスト装置では、前記シリンダは、前記関節の回動方向と略平行な方向で、前記第１外骨格部材に回動可能に取り付けられ、前記連接部材は、前記ピストンロッドにおける他方の端部と前記第２歯車部材とが、前記関節の回動運動の回動軸と略平行となる前記第１歯車部材の中心軸の回りを回動可能となるように、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材と前記ピストンロッドにおける他方の端部とを、前記関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に連接する、ようにすることができる。
【００１３】
この場合には、シリンダ内の直動ピストンの行程の際に、ピストンロッドにおける直動ピストンに連結されていない他方の端部と第１歯車部材との距離が一定となるように、シリンダが第１外骨格部材に対して揺動する。こうした構成を採用することで、直動ピストンの行程により、ピストンロッドにおける他方の端部が、第１歯車部材の中心軸の回りを回動する。そして、当該回動により、連接部材を介して、第２歯車部材に、関節の回動方向と略平行な方向で回動するための回動力が付与される。こうして第２歯車部材に当該回動力が付与されると、第２歯車部材における第１歯車部材との噛み合い位置が変化し、第２歯車部材が、自転しつつ、第１歯車部材の中心軸の回りを公転する。このため、直動ピストンの行程により、第２歯車部材に、第１歯車部材の中心軸の回りを回動するための回動力を付与することができる。この結果、直動ピストンの行程を適切に制御することにより、関節運動を適切にアシストすることができる。
【００１４】
ここで、シリンダが第１外骨格部材に対して揺動する構成を採用した場合に、前記連接部材は、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保する第１連接部材と；前記第１連接部材に固定的に接続されるとともに、前記ピストンロッドにおける他方の端部を前記関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に連接する第２連接部材と；を備える、構成とすることができる。
【００１５】
このように、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、直動ピストンの行程により、ピストンロッドにおける他方の端部に連接されている第２連接部材に動力が伝達され、当該動力が第１連接部材に伝達される。そして、第２歯車部材が、第１歯車部材の中心軸の回りを回動する。この場合には、連接部材が第１及び第２連接部材の２つの部材から構成されるため、個々に第１及び第２連接部材を製作することができる。また、この場合には、第２連接部材の長さを変えることで、関節運動をアシストする際の回転角度の変化率やトルクを調整することができる。
【００１６】
本発明の関節運動アシスト装置では、前記シリンダは、前記第１外骨格部材に固定的に取り付けられ、前記連接部材は、前記直動ピストンの行程に伴う前記ピストンロッドにおける他方の端部と前記第１歯車部材との距離の変化を許容しつつ、前記ピストンロッドにおける他方の端部を収容する収容部を有する、ようにすることができる。ここで、前記収容部は、前記ピストンロッドにおける他方の端部から前記第１歯車部材の中心部へ向う方向に沿って延びて形成された長穴である、ようにすることができる。
【００１７】
この場合には、シリンダが第１外骨格部材に固定的に取り付けられているため、シリンダ内の直動ピストンの行程、すなわち、ピストンロッドの往復直線運動の際に、ピストンロッドにおける他方の端部と第１歯車部材との距離が変化することになる。かかる距離変化が発生しても、ピストンロッドの往復運動が可能であり、第２歯車部材が自公転可能とするように、連接部材の収容部は、ピストンロッドにおける他方の端部と第１歯車部材との距離の変化を許容しつつ、ピストンロッドにおける他方の端部を収容するようになっている。こうした構成を採用することで、ピストンロッドの往復直線運動が、連接部材を介して、関節の回動方向と略平行な方向で第２歯車部材が回動する回動運動に変換され、回動力が生じる。こうして第２歯車部材に当該回動力が付与されると、第２歯車部材における第１歯車部材との噛み合い位置が変化し、第２歯車部材が、自転しつつ、第１歯車部材の中心軸の回りを公転する。このため、直動ピストンの行程により、第２歯車部材に、第１歯車部材の中心軸の回りを回動するための回動力を付与することができる。この結果、直動ピストンの行程を適切に制御することにより、関節運動を適切にアシストすることができる。
【００１８】
ここで、シリンダが第１外骨格部材に対して固定的に取り付けられる構成を採用した場合に、前記連接部材は、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保する第１連接部材と；前記第１連接部材に固定的に接続されるとともに、前記収容部を有する第２連接部材と；を備える、構成とすることができる。
【００１９】
このように、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、ピストンロッドにおける他方の端部と第１歯車部材との距離の変化を許容しつつ、ピストンロッドにおける他方の端部を収容する収容部は、第２連接部材に設けられることになる。そして、直動ピストンの行程によるピストンロッドにおける他方の端部の運動が、第１連接部材に伝達される。そして、第２歯車部材が、第１歯車部材の中心軸の回りを回動する。この場合には、連接部材が第１及び第２連接部材の２つの部材から構成されるため、個々に第１及び第２連接部材を製作することができる。また、この場合には、第２連接部材の長さを変えることで、関節運動をアシストする際の回転角度の変化率やトルクを調整することができる。
【００２０】
本発明の関節運動アシスト装置では、前記直動ピストンにより仕切られた２つのシリンダ室のそれぞれの作動流体圧を調整する調整部を更に備える、構成とすることができる。この場合には、調整部が直動ピストンにより仕切られた２つのシリンダ室内の作動流体圧を調整するため、屈曲、伸展の双方についての関節運動をアシストすることができる。
【００２１】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記所定対象物が、筋力による関節運動を行う生体であり、前記関節を駆動する筋力に関する生体情報を検出する検出部を更に備え、前記調整部は、前記検出部による検出結果に基づいて、前記シリンダ内の作動流体圧を調整する、ようにすることができる。この場合には、関節を駆動する筋力に関する生体情報に基づいて、筋力の発揮力等を導出し、当該導出結果に基づいて、直動ピストンにより仕切られた２つのシリンダ室内の作動流体圧を調整することができる。ここで、生体情報としては、筋電図、筋肉硬さ、又は、脳波等を採用することができる。
【００２２】
本発明の関節運動アシスト装置では、前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、互いの軸が平行な円柱形状であり、前記第１歯車部材の歯部は、前記外周部に形成され、前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の伸長行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の収縮行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、ようにすることができる。
【００２３】
このように、第１歯車部材及び第２歯車部材が、円柱形状の外歯車である場合には、ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の伸長行程及び収縮行程の際に、２つの歯車部材の中心軸間の距離が一定である。このため、第１歯車部材と第２歯車部材との噛合の確保に際して、簡単な構成の連接部材を採用することができる。なお、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、第１連接部材として、例えば、第１歯車部材及び第２歯車部材の中心軸を回動可能に挿入するアーム部材を採用することができる。
【００２４】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、互いの軸が平行な楕円柱形状であり、前記第１歯車部材の歯部は、前記外周部に形成され、前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の伸長行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の収縮行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、ようにすることができる。
【００２５】
このように、第１歯車部材及び第２歯車部材が、楕円柱形状の外歯車である場合には、ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の伸長行程及び収縮行程の際に、２つの歯車部材の中心軸間の距離が変化する。このため、屈曲運動又は伸展運動に伴う関節の回動運動の回動軸の自由度に対応した関節運動をアシストすることができる。なお、第１歯車部材と第２歯車部材との噛合の確保に際しては、中心軸間の距離の変化に対応できる構成の連接部材を採用するようにすればよい。また、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、第１連接部材として、例えば、第１歯車部材の中心軸と第２歯車部材の中心軸とを弾性的に付勢し、当該中心軸間の距離の変化に対応した構成を採用することができる。
【００２６】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、それぞれ、互いの軸が平行な円筒形状及び円柱形状であり、前記第１歯車部材の歯部は、前記内周部に形成され、前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の収縮行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記ピストンロッドの伸長行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、ようにすることができる。
【００２７】
このように、第１歯車部材が円筒形状の内歯車であり、第２歯車部材が円柱形状の外歯車である場合には、ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の収縮行程及び伸長行程の際に、２つの歯車部材の中心軸間の距離が一定である。このため、第１歯車が円柱形状の外歯車である場合と同様に、第１歯車部材と第２歯車部材との噛合の確保に際して、簡単な構成の連接部材を採用することができる。なお、連接部材が第１連接部材と第２連接部材とを備える構成を採用する場合には、第１連接部材として、例えば、第１歯車部材及び第２歯車部材の中心軸を回動可能に挿入するアーム部材を採用することができる。
【００２８】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記所定対象物の関節は、肘関節であり、前記第１外骨格部材は上腕部に固定され、前記第２外骨格部材は前腕部に固定される、ようにすることができる。この場合には、所定対象物の肘関節の運動をアシストすることができる。
【００２９】
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記所定対象物の関節は、股関節であり、前記第１外骨格部材は腰部に固定され、前記第２外骨格部材は大腿部に固定される、ようにすることができる。この場合には、所定対象物の股関節の運動をアシストすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明の関節運動アシスト装置によれば、構造がコンパクトであるとともに、関節運動を適切にアシストすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態である肘関節の関節運動アシスト装置の外観図である。
【図２】図１の接続部材の構造を説明するための平面視図である。
【図３】図１の前腕外骨格部材の構造を説明するための平面視図である。
【図４】図１のアクチュエータの構造を説明するためのＸＺ断面図である。
【図５】図１の調整部の構成を説明するための図である。
【図６】ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の収縮時及び伸長時の図１の関節運動アシスト装置の状態を説明するための図である。
【図７】第１変形例である股関節の関節運動アシスト装置の外観図である。
【図８】ピストンロッドにおけるシリンダからの突出部分の収縮時及び伸長時の図７の関節運動アシスト装置の状態を説明するための図である。
【図９】第２変形例である肘関節の関節運動アシスト装置において、シリンダからのピストンロッドの突出部分が収縮したとき及び伸長したときの状態を説明するための図である。
【図１０】歯車部材の変形例（その１）を説明するための図である。
【図１１】歯車部材の変形例（その２）を説明するための図である。
【図１２】図１１に対応するアクチュエータの構造を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施形態を、図１〜図６を参照して説明する。なお、本実施形態においては、所定対象物としての人体の右腕の肘関節の機構を利用して行われる関節運動をアシストする関節運動アシスト装置を例示して説明する。また、以下の説明及び図面においては、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３３】
［構成］
図１には、一実施形態に係る関節運動アシスト装置１００の外観図が示されている。この図１は、人体の腕に装着された関節運動アシスト装置１００を、肘関節が伸展状態にあるときの人体の右側から眺めた外観図（ＸＺ平面視図）である。
【００３４】
ここで、図１における座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、関節運動アシスト装置１００が人体に装着された場合に、人体の正面方向を＋Ｘ方向、人体の右側から左側へと向かう方向を＋Ｙ方向、上腕部が肘関節から延びる方向を＋Ｚ方向とする座標系である。このため、当該座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）では、Ｙ軸方向と肘関節の回動運動の回動軸方向とが略平行となっている。
【００３５】
図１に示されるように、関節運動アシスト装置１００は、第１外骨格部材の一部としての上腕外骨格部材１１１と、第１外骨格部材の一部としての接続部材１１２と、第１歯車部材１１３と、ベルト部材１１７，１１８とを備えている。また、関節運動アシスト装置１００は、第２外骨格部材としての前腕外骨格部材１２１と、第２歯車部材１２３と、ベルト部材１２７，１２８とを備えている。さらに、関節運動アシスト装置１００は、第１連接部材としての第１アーム部材１４１と、第２連接部材としての第２アーム部材１４２と、アクチュエータ１５０と、調整部１８０と、配管１９１，１９２とを備えている。
【００３６】
上記の上腕外骨格部材１１１は、例えば、長板状の鋼鉄製の部材である。この上腕外骨格部材１１１は、右上腕部が肘関節から延びる方向に沿って、右上腕部の右側（−Ｙ方向側）に配置され、布製のベルト部材１１７，１１８により右上腕部に固定される。
【００３７】
上記の接続部材１１２は、例えば、鋼鉄製の部材であり、図２に示されるように、ＸＹ平面視で、Ｌ字状に成形加工されたＬ字状部材１１２Lと、Ｕ字状に成形加工されたＵ字状部材１１２Uとから構成されている。そして、Ｌ字状部材１１２LとＵ字状部材１１２Uとを不図示のネジ止め等で固定することで、接続部材１１２が形成されるようになっている。ここで、図２では、アクチュエータ１５０のシリンダ軸がＺ軸と平行となっている場合の状態が示されている。
【００３８】
上記のＬ字状部材１１２Lは、上腕外骨格部材１１１の−Ｘ方向側において、上腕外骨格部材１１１に固定的に接続されている。また、上記のＵ字状部材１１２UにおけるＹ方向に垂直な２つの平板部には、それぞれ、アクチュエータ１５０（より詳しくは、後述するシリンダ１５１）を係止するための挿入穴が成形加工されている。そして、Ｕ字状部材１１２Uは、アクチュエータ１５０をＵ字形に取り囲み、２つの挿入穴を利用して後述するシリンダ１５１に着脱可能に取り付けられる突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を挿入し、肘関節の回動方向と略平行な方向で、アクチュエータ１５０を回動可能に係止している。
【００３９】
図１に戻り、上記の第１歯車部材１１３は、本実施形態では、軸部材ＡＸ１を中心軸とする円柱形状の鋼鉄製の部材である。第１歯車部材１１３は、上腕外骨格部材１１１の肘関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。そして、第１歯車部材１１３の外周部には、歯すじが軸に平行な歯部が形成されている。ここで、軸部材ＡＸ１の軸方向は、肘関節の回動運動の回動軸と略平行となるＹ軸方向と平行になっている。
【００４０】
上記の前腕外骨格部材１２１は、例えば、鋼鉄製の部材であり、図３（Ａ），（Ｂ）により総合的に示されるように、長板状の長板状外骨格部材１２１1と、前腕保持部材１２１2とから構成されている。そして、長板状外骨格部材１２１1と前腕保持部材１２１2とを不図示のネジ止め等で固定することで、前腕外骨格部材１２１が形成されるようになっている。ここで、図３における座標系（Ｕ，Ｙ，Ｗ）は、右前腕部が肘関節から延びる方向を＋Ｕ方向、人体の右側から左側へと向かう方向を＋Ｙ方向、右前腕部の内側へ向かうＵ軸と垂直な方向を＋Ｗ方向とする座標系である。そして、図３（Ａ）には、前腕外骨格部材１２１のＵ方向視図が示され、図３（Ｂ）には、前腕外骨格部材１２１のＷ方向視図が示されている。
【００４１】
上記の長板状外骨格部材１２１1は、右前腕部が肘関節から延びる方向に沿って、右前腕部の右側（−Ｙ方向側）に配置される。また、上記の前腕保持部材１２１2は、右前腕部を下方側（−Ｗ方向側）から保持する。そして、前腕外骨格部材１２１は、布製のベルト部材１２７，１２８により右前腕部に固定される（図１参照）。
【００４２】
図１に戻り、上記の第２歯車部材１２３は、本実施形態では、上述した第１歯車部材１１３と同様に、軸部材ＡＸ２を中心軸とする円柱形状の鋼鉄製の部材である。第２歯車部材１２３は、前腕外骨格部材１２１の肘関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。そして、第２歯車部材１２３の外周部には、第１歯車部材１１３と噛合する歯すじが軸に平行な歯部が形成されている。
【００４３】
ここで、軸部材ＡＸ２の軸方向は、軸部材ＡＸ１の軸方向と平行になっている。また、第１歯車部材１１３及び第２歯車部材１２３の歯数比は、後述するピストンロッド１５３の往復運動の行程距離、第２アーム部材１４２の長さ等に基づいて、上腕外骨格部材１１１と前腕外骨格部材１２１との交差角度が、肘関節の好適な可動範囲となるように設定されている。また、第１歯車部材１１３及び第２歯車部材１２３の歯数比は、関節運動をアシストするに際して、アシストされた結果として行われる関節運動が、関節運動アシスト装置１００が装着された人にとって滑らかに感じられる関節運動となるようにも調整されている。
【００４４】
上記の第１アーム部材１４１は、例えば、平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように配設される。第１アーム部材１４１には、第１歯車部材１１３と第２歯車部材１２３との噛合を確保するための２つの挿入穴が成形加工されている。ここで、当該２つの挿入穴間の距離は、第１歯車部材１１３のピッチ円半径及び第２歯車部材１２３のピッチ円半径の和と等しくなっている。第１アーム部材１４１の一方の挿入穴には、第１歯車部材１１３の軸部材ＡＸ１が、第１アーム部材１４１が軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入され、他方の挿入穴には、第２歯車部材１２３の軸部材ＡＸ２が回動可能に挿入される。
【００４５】
上記の第２アーム部材１４２は、例えば、平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように配設される。第２アーム部材１４２には、２つの挿入穴が成形加工されている。第２アーム部材１４２の一方の挿入穴には、第１歯車部材１１３の軸部材ＡＸ１が、第２アーム部材１４２が軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入される。また、第２アーム部材１４２の他方の挿入穴には、アクチュエータ１５０を構成する後述するピストンロッド１５３における下端部に設けられた突起部ＪＴＲが回動可能に挿入される。ここで、第２アーム部材１４２の長さは、肘関節運動のアシストをするに際して、肘関節にとって好適な回転角度及び好適なトルクとなるように設定されている。
【００４６】
ここで、第１アーム部材１４１と第２アーム部材１４２とは固定されている。このため、第２歯車部材１２３とピストンロッド１５３における下端部とが、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを回動可能となっている。
【００４７】
上記のアクチュエータ１５０は、図１及び図４により総合的に示されるように、シリンダ１５１と、直動ピストン１５２と、ピストンロッド１５３とを備えている。ここで、図４には、シリンダ軸がＺ軸と平行になっているときのアクチュエータ１５０のＹＺ断面図が示されている。
【００４８】
上記のシリンダ１５１は、例えば、円筒状の部材であり、シリンダ１５１の長さ方向の両端部は閉塞されており、−Ｚ方向側の一方の端部をピストンロッド１５３が貫通している。また、シリンダ１５１の−Ｚ方向側の外側円筒面には、２つの突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2が、Ｙ軸と平行であり、かつ、円筒中心軸に対向する＋Ｙ方向側面、−Ｙ方向側面に取り付けられている。そして、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2が、上述した接続部材１１２に形成加工された２つの挿入穴に挿入されることにより、シリンダ１５１が、肘関節の回動方向と略平行な方向で、上腕外骨格部材１１１に固定的に接続されている接続部材１１２に回動可能に取り付けられる。
【００４９】
また、シリンダ１５１には、シリンダ１５１内への空気の供給、及び、シリンダ１５１内からの空気の吸引を行うための第１給排気ポートＰＴ１と第２給排気ポートＰＴ２とが設けられている。ここで、第１給排気ポートＰＴ１は配管１９１と接続され、第２給排気ポートＰＴ２は、配管１９２と接続されている。また、シリンダ１５１内には、直動ピストン１５２の摺動範囲を規制するためのストッパＳＴ１，ＳＴ２が取り付けられる。このため、直動ピストン１５２は、ＳＴ１〜ＳＴ２の間で摺動可能となっている。
【００５０】
上記の直動ピストン１５２は、例えば、円柱形状の部材であり、直動ピストン１５２の外径は、シリンダ１５１の内径と略等しくなっている。直動ピストン１５２の外周部には、環状の弾性シール部材が取り付けられており、直動ピストン１５２は、シリンダ１５１内に対して往復摺動自在に嵌め込まれている。
【００５１】
こうして直動ピストン１５２がシリンダ１５１内に嵌め込まれることで、シリンダ１５１の内部空間は、第１シリンダ室ＳＲ１と第２シリンダ室ＳＲ２とに仕切られている。ここで、第１シリンダ室ＳＲ１には、上述した第１給排気ポートＰＴ１が設けられている。また、第２シリンダ室ＳＲ２には、上述した第２給排気ポートＰＴ２が設けられている。
【００５２】
上記のピストンロッド１５３は、例えば、円柱形状の部材であり、ピストンロッド１５３の外径は、シリンダ１５１の外径より小さくなっている。ピストンロッド１５３における一方の端部は、直動ピストン１５２の往復運動方向の一端部に連結されており、ピストンロッド１５３は、シリンダ１５１を貫通している。また、ピストンロッド１５３における他方の端部の−Ｙ方向側には、第２アーム部材１４２の他方の挿入穴に挿入される突起部ＪＴＲが、取り付けられている。
【００５３】
上記の調整部１８０は、配管１９１を介して、シリンダ１５１における第１シリンダ室ＳＲ１と連通している。また、調整部１８０は、配管１９２を介して第２シリンダ室ＳＲ２と連通している。そして、調整部１８０は、配管１９１を通じて、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給、及び、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引を行うとともに、配管１９２を通じて、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給、及び、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引を行うことで、シリンダ１５１内における直動ピストン１５２の行程を調整する。
【００５４】
かかる機能を有する調整部１８０は、図５に示されるように、加圧ポンプ１８１と、減圧ポンプ１８２と、電気−空気圧制御弁１８３と、制御部１８４と、配管１８５，１８６とを備えている。
【００５５】
上記の加圧ポンプ１８１は、配管１８５を介して、電気−空気圧制御弁１８３の一方の入口側と接続されている。この加圧ポンプ１８１は、シリンダ１５１内への空気の供給を行う際に利用される。上記の減圧ポンプ１８２は、配管１８６を介して、電気−空気圧制御弁１８３の他方の入口側と接続されている。この減圧ポンプ１８２は、シリンダ１５１内からの空気の吸引を行う際に、利用される。
【００５６】
上記の電気−空気圧制御弁１８３は、流路切換４方向弁と、圧力制御弁（比例ソレノイド）とを備えて構成されている。この流路切換４方向弁の入口側の一方が加圧ポンプ１８１に接続されているとともに、入口側の他方が減圧ポンプ１８２に接続されている。
【００５７】
そして、流路切換４方向弁は、制御部１８４による制御のもとで、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引を行う際には、加圧ポンプ１８１と接続されている配管１８５と、配管１９１とを接続して流路を形成するとともに、減圧ポンプ１８２と接続されている配管１８６と、配管１９２とを接続して流路を形成する。また、流路切換４方向弁は、制御部１８４による制御のもとで、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給を行う際には、減圧ポンプ１８２と接続されている配管１８６と、配管１９１とを接続して流路を形成するとともに、加圧ポンプ１８１と接続されている配管１８５と、配管１９２とを接続して流路を形成する。
【００５８】
また、圧力制御弁は、制御部１８４による制御のもとで、配管１９１及び配管１９２の空気圧力を制御し、シリンダ１５１における第１シリンダ室ＳＲ１内の空気圧力と第２シリンダ室ＳＲ２内の空気圧力との差圧を変化させる。
【００５９】
上記の制御部１８４は、第１及び第２シリンダ室ＳＲ１，ＳＲ２内の空気の供給／吸引の切り換え、及び、圧力調整を行うことで、直動ピストン１５２のプッシュ・プル制御を実行する。かかる制御は、実験、シミュレーション、経験等を加味した関節を駆動する筋力に関する生体情報に基づいて行われるようになっている。ここで、関節を駆動する筋力に関する生体情報は、不図示の検出部が、筋電図、筋肉の硬さ等を検出することで、取得するようにすることができる。
【００６０】
［動作］
以上のようにして構成された関節運動アシスト装置１００の動作、すなわち、肘関節の機構を利用する関節運動のアシスト動作を説明する。
【００６１】
なお、関節運動アシスト装置１００では、当初においては、調整部１８０によるシリンダ１５１内の空気圧調整は行われていないものとする。また、当初においては、図１及び図６（Ａ）に示されるように、肘関節は、伸展状態にあるものとする。
【００６２】
ここで、図６（Ａ），（Ｂ）に示される関節運動アシスト装置１００では、調整部１８０、配管１９１，１９２、ベルト部材１１７，１１８，１２７，１２８、及び、人体の腕部位等の図示を省略している。
【００６３】
この関節運動のアシスト動作は、肘関節を伸展状態から屈曲状態にする際には、制御部１８４が、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引を行うための制御を行う。
【００６４】
調整部１８０により、配管１９１を通じて、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給が行われるとともに、配管１９２を通じて、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引が行われると、シリンダ１５１内の直動ピストン１５２が、−Ｚ方向へ摺動する（図４参照）。この直動ピストンの−Ｚ方向への摺動に伴い、直動ピストン１５２に連結されているピストンロッド１５３が−Ｚ方向へ移動し、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が伸長する行程となる（以下、単に「ピストンロッドの伸長行程」とも記す）。
【００６５】
ピストンロッド１５３の伸長行程において、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が伸長したときの関節運動アシスト装置１００の状態が、図６（Ｂ）に示されている。図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド１５３の伸長行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、＋Ｙ方向を視線方向としたＸＺ平面視で反時計回り（以下、単に「反時計回り」とも記す）に回転する。
【００６６】
このとき、接続部材１１２に肘関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に取り付けられているシリンダ１５１は、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を軸として、反時計回りに回転する。この結果、ピストンロッド１５３の伸長行程前と伸長行程後とにおいて、シリンダ軸ＳＡＸとＺ軸とのなす角度が、例えば、角度θC（図６（Ａ）参照）から角度θE(＞θC) （図６（Ｂ）参照）に変化する。
【００６７】
ピストンロッド１５３の下端部が、反時計回りに回転すると、第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、反時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、反時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として反時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、反時計回りに回転する。この結果、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が狭まり、肘関節は伸展状態から屈曲状態になる。
【００６８】
また、肘関節が屈曲状態であるとき（図６（Ｂ）参照）に、肘関節を屈曲状態から伸展状態にする際には、制御部１８４が、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給を行うための制御を行う。
【００６９】
かかる制御のもとで、配管１９１を通じて、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引が行われるとともに、配管１９２を通じて、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給が行われると、シリンダ１５１内の直動ピストン１５２が、＋Ｚ方向へ摺動する（図４参照）。この直動ピストンの＋Ｚ方向への摺動に伴い、直動ピストン１５２に連結されているピストンロッド１５３が＋Ｚ方向へ移動し、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が収縮する行程となる（以下、単に「ピストンロッドの収縮行程」とも記す）。
【００７０】
ピストンロッド１５３の収縮行程において、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が収縮したときの関節運動アシスト装置１００の状態が、図６（Ａ）に示されている。図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド１５３の収縮行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、＋Ｙ方向を視線方向としたＸＺ平面視で時計回り（以下、単に「時計回り」とも記す）に回転する。このとき、接続部材１１２に係止されているシリンダ１５１は、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を軸として、時計回りに回転する。この結果、ピストンロッド１５３の収縮行程前と収縮行程後とにおいて、シリンダ軸ＳＡＸとＺ軸とのなす角度が、例えば、角度θE（図６（Ｂ）参照）から角度θC（図６（Ａ）参照）に変化する。
【００７１】
ピストンロッド１５３の下端部が、時計回りに回転すると、第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、時計回りに回転する。この結果、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が広がり、肘関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態では、調整部１８０により、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給が行われるとともに、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引が行われると、シリンダ１５１内の直動ピストン１５２が、−Ｚ方向へ摺動する。この直動ピストンの−Ｚ方向への摺動に伴い、ピストンロッド１５３が−Ｚ方向へ移動するピストンロッド１５３の伸長行程となる。
【００７３】
ピストンロッド１５３の伸長行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、反時計回りに回転すると、第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、反時計回りの回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、反時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として反時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、反時計回りに回転する。この結果、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が狭まり、肘関節は伸展状態から屈曲状態になる。
【００７４】
また、調整部１８０により、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引が行われるとともに、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給が行われると、シリンダ１５１内の直動ピストン１５２が、＋Ｚ方向へ摺動する。この直動ピストンの＋Ｚ方向への摺動に伴い、ピストンロッド１５３が＋Ｚ方向へ移動するピストンロッド１５３の収縮行程となる。
【００７５】
ピストンロッド１５３の収縮行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、時計回りに回転すると、第１及び第２アーム部材１４１，１４２を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、時計回りの回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３における第１歯車部材１１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材１２３が、時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、時計回りに回転する。この結果、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が広がり、肘関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【００７６】
したがって、本実施形態によれば、構造がコンパクトであるとともに、肘関節の関節運動を適切にアシストすることができる。
【００７７】
［実施形態の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００７８】
例えば、上記の実施形態では、人体の肘関節の機構を利用して行われる関節運動をアシストする関節運動アシスト装置としたが、例えば、股関節の運動をアシストする装置であってもよい。
【００７９】
＜第１変形例＞
第１変形例に係る股関節の機構を利用して行われる関節運動をアシストする関節運動アシスト装置について、図７及び図８を主に参照して説明する。
【００８０】
《構成》
図７には、第１変形例に係る関節運動アシスト装置２００の外観図が示されている。この図７は、人体の腰部及び大腿部に装着される関節運動アシスト装置２００を、股関節が伸展状態にあるときの人体の右側から眺めた外観図（ＸＺ平面視図）である。
【００８１】
ここで、図７における座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、関節運動アシスト装置２００が人体に装着された場合に、人体の正面方向を＋Ｘ方向、人体の右側から左側へと向かう方向を＋Ｙ方向、腰部から背部へと向かう方向を＋Ｚ方向とする座標系である。このため、当該座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）では、Ｙ軸方向と股関節の回動運動の回動軸方向とが略平行となっている。
【００８２】
図７に示されるように、関節運動アシスト装置２００は、第１外骨格部材の一部としての腰外骨格部材２１１と、第１外骨格部材の一部としての接続部材２１２と、第１歯車部材２１３と、ベルト部材２１７とを備えている。また、関節運動アシスト装置２００は、第２外骨格部材としての大腿外骨格部材２２１と、第２歯車部材２２３と、ベルト部材２２７，２２８とを備えている。さらに、関節運動アシスト装置２００は、第１連接部材としての第１アーム部材２４１と、第２連接部材としての第２アーム部材２４２と、アクチュエータ２５０と、調整部２８０と、配管２９１，２９２とを備えている。
【００８３】
上記の腰外骨格部材２１１は、例えば、鋼鉄製の部材であり、ＸＺ平面視で、クランク形状に成形加工されている。この腰外骨格部材２１１は、腰部が股関節から背部へと延びる方向に沿って、腰部の右側（−Ｙ方向側）に配置され、布製のベルト部材２１７により腰部右側に固定される。
【００８４】
上記の接続部材２１２は、上述した実施形態の接続部材１１２と同様に、ＸＹ平面視で、Ｌ字状に成形加工されたＬ字状部材と、Ｕ字状に成形加工された２つの挿入穴を有するＵ字状部材とから構成されている（図２参照）。そして、接続部材２１２は、腰外骨格部材２１１の−Ｘ方向側において、腰外骨格部材２１１に固定的に接続されるとともに、アクチュエータ２５０をＵ字形に取り囲み、２つの挿入穴を利用して、股関節の回動方向と略平行な方向で、アクチュエータ２５０を回動可能に係止する。
【００８５】
上記の第１歯車部材２１３は、上述した実施形態の第１歯車部材１１３と同様に構成され、腰外骨格部材２１１の股関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。
【００８６】
上記の大腿外骨格部材２２１は、例えば、長板状の鋼鉄製の部材である。この大腿外骨格部材２２１は、右大腿部が股関節から延びる方向に沿って、右大腿部の右側（−Ｙ方向側）に配置され、布製のベルト部材２２７，２２８により右大腿部に固定される。
【００８７】
上記の第２歯車部材２２３は、上述した実施形態の第２歯車部材１２３と同様に構成され、大腿外骨格部材２２１の股関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。ここで、第１歯車部材２１３及び第２歯車部材２２３の歯数比は、後述するピストンロッド２５３の往復運動の行程距離、第２アーム部材２４２の長さ等に基づいて、腰外骨格部材２１１と大腿外骨格部材２２１との交差角度が、股関節の好適な可動範囲となるように設定されている。
【００８８】
上記の第１アーム部材２４１は、上述した実施形態の第１アーム部材１４１と同様に、２つの挿入穴が成形加工された平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように配置される。この第１アーム部材２４１の一方の挿入穴には、第１歯車部材２１３の軸部材ＡＸ１が、第１アーム部材２４１が軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入され、他方の挿入穴には、第２歯車部材２２３の軸部材ＡＸ２が回動可能に挿入される。
【００８９】
上記の第２アーム部材２４２は、上述した実施形態の第２アーム部材１４２と同様に、２つの挿入穴が成形加工された平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように配置される。この第２アーム部材２４２の一方の挿入穴には、第１歯車部材２１３の軸部材ＡＸ１が、第２アーム部材２４２が軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入される。また、第２アーム部材２４２の他方の挿入穴には、アクチュエータ２５０を構成するピストンロッド２５３における下端部に設けられた突起部ＪＴＲが回動可能に挿入される。ここで、第２アーム部材２４２の長さは、股関節運動のアシストをするに際して、股関節にとって好適な回転角度及び好適なトルクとなるように設定されている。
【００９０】
ここで、第１アーム部材２４１と第２アーム部材２４２とは固定されている。このため、第２歯車部材２２３とピストンロッド２５３における下端部とが、第１歯車部材２１３の中心軸の回りを回動可能となっている。
【００９１】
上記のアクチュエータ２５０は、上述した実施形態のアクチュエータ１５０と同様に構成さている（図１、図４参照）。すなわち、アクチュエータ２５０は、シリンダ１５１と同様に構成されたシリンダ２５１と、直動ピストン１５２と同様に構成された直動ピストン２５２と、ピストンロッド１５３と同様に構成されたピストンロッド２５３とを備えている。なお、アクチュエータ２５０を接続部材２１２に回動可能に係止するための２つの突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2は、本第１変形例では、シリンダ２５１の＋Ｚ方向側の外側円筒面に取り付けられている。
【００９２】
上記の調整部２８０は、上述した実施形態の調整部１８０と同様に構成さている（図１、図５参照）。すなわち、調整部２８０は、加圧ポンプ１８１と同様に構成された加圧ポンプ、減圧ポンプ１８２と同様に構成された減圧ポンプと、電気−空気圧制御弁１８３と同様に構成された電気−空気圧制御弁、制御部１８４と同様に構成された制御部と、配管１８５，１８６と同様に構成された配管とを備えている。
【００９３】
この調整部２８０は、配管２９１を介して、シリンダ２５１における第１シリンダ室ＳＲ１と連通している。また、調整部２８０は、配管２９２を介して第２シリンダ室ＳＲ２と連通している。そして、調整部２８０は、上述した実施形態の調整部１８０と同様に、第１及び第２シリンダ室ＳＲ１，ＳＲ２内の空気の供給／吸引の切り換え、及び、圧力調整を行うことで、直動ピストン２５２のプッシュ・プル制御を実行する。
【００９４】
《動作》
以上のようにして構成された関節運動アシスト装置２００の動作、すなわち、股関節の機構を利用する関節運動のアシスト動作に着目して説明する。
【００９５】
なお、当初においては、図７及び図８（Ａ）に示されるように、股関節は、伸展状態にあるものとする。また、図８（Ａ），（Ｂ）に示される関節運動アシスト装置２００では、調整部２８０、配管２９１，２９２、ベルト部材２１７，２２７，２２８、及び、人体の腰部、大腿部等の図示を省略している。
【００９６】
股関節運動のアシスト動作は、股関節を伸展状態から屈曲状態にする際には、調整部２８０が、第１シリンダ室ＳＲ１への空気の供給を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２からの空気の吸引を行う。この結果、シリンダ２５１内の直動ピストン２５２が、−Ｚ方向へ摺動し（図４参照）、シリンダ２５１からのピストンロッド２５３の突出部分が伸長するピストンロッド２５３の伸長行程となる。
【００９７】
ピストンロッド２５３の伸長行程において、シリンダ２５１からのピストンロッド２５３の突出部分が伸長したときの関節運動アシスト装置２００の状態が、図８（Ｂ）に示されている。図８（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド２５３の伸長行程により、ピストンロッド２５３の下端部が、第１歯車部材２１３の中心軸の回りを、＋Ｙ方向を視線方向としたＸＺ平面視で反時計回りに回転する。このとき、接続部材２１２に股関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に取り付けられているシリンダ２５１は、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を軸として、反時計回りに回転する。この結果、ピストンロッド２５３の伸長行程前と伸長行程後とにおいて、シリンダ軸ＳＡＸの方向が、例えば、Ｚ軸に対して時計回り方向にある状態（図８（Ａ）参照）から、Ｚ軸に対して反時計回り方向（図８（Ｂ）参照）に変化する。
【００９８】
ピストンロッド２５３の下端部が、反時計回りに回転すると、上述した実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、第１及び第２アーム部材２４１，２４２を介して、第２歯車部材２２３に、股関節の回動方向と略平行な方向で、反時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材２２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材２２３における第１歯車部材２１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材２２３が、反時計回りに自転しつつ、第１歯車部材２１３の中心軸を中心として反時計回りに公転する。こうして第２歯車部材２２３が自公転すると、第２歯車部材２２３に固定的に接続されている大腿外骨格部材２２１が、反時計回りに回転する。この結果、腰部に固定されている腰外骨格部材２１１と、大腿部に固定されている大腿外骨格部材２２１とが交差する角度が狭まり、股関節は伸展状態から屈曲状態になる。
【００９９】
また、股関節が屈曲状態であるとき（図８（Ｂ）参照）に、股関節を屈曲状態から伸展状態にする際には、調整部２８０が、第１シリンダ室ＳＲ１からの空気の吸引を行うとともに、第２シリンダ室ＳＲ２への空気の供給を行う。この結果、シリンダ２５１内の直動ピストン２５２が、＋Ｚ方向へ摺動し（図４参照）、シリンダ２５１からのピストンロッド２５３の突出部分が収縮するピストンロッド２５３の収縮行程となる。
【０１００】
ピストンロッド２５３の収縮行程において、シリンダ２５１からのピストンロッド２５３の突出部分が収縮したときの関節運動アシスト装置２００の状態が、図８（Ａ）に示されている。図８（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド２５３の収縮行程により、ピストンロッド２５３の下端部が、第１歯車部材２１３の中心軸の回りを、時計回りに回転する。このとき、接続部材２１２に股関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に取り付けられているシリンダ２５１は、突起部ＪＴＳ1，ＪＴＳ2を軸として、時計回りに回転する。この結果、ピストンロッド２５３の収縮行程前と収縮行程後とにおいて、シリンダ軸ＳＡＸの方向が、例えば、Ｚ軸に対して反時計回り方向にある状態（図８（Ｂ）参照）から、Ｚ軸に対して時計回り方向（図（Ａ）参照）に変化する。
【０１０１】
こうしてピストンロッド２５３の下端部が、時計回りに回転すると、上述した実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、第１及び第２アーム部材２４１，２４２を介して、第２歯車部材２２３に、股関節の回動方向と略平行な方向で、時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材２２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材２２３における第１歯車部材２１３との噛み合わせ位置が変化し、第２歯車部材２２３が、時計回りに自転しつつ、第１歯車部材２１３の中心軸を中心として時計回りに公転する。こうして第２歯車部材２２３が自公転すると、第２歯車部材２２３に固定的に接続されている大腿外骨格部材２２１が、時計回りに回転する。この結果、腰部に固定されている腰外骨格部材２１１と、大腿部に固定されている大腿外骨格部材２２１とが交差する角度が広がり、股関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【０１０２】
したがって、股関節の運動をアシストする第１変形例によれば、構造がコンパクトであるとともに、股関節の関節運動を適切にアシストすることができる。
【０１０３】
＜第２変形例＞
次に、第２変形例に係る肘関節の機構を利用して行われる関節運動をアシストする関節運動アシスト装置について、図９を主に参照して説明する。
【０１０４】
《構成》
図９には、第２変形例に係る関節運動アシスト装置１００Ｂの外観図が示されている。ここで、図９（Ａ）には、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が収縮しているときの状態が示され、図９（Ｂ）には、当該突出部分が伸長しているときの状態が示されている。
【０１０５】
図９（Ａ），（Ｂ）に示されるように、関節運動アシスト装置１００Ｂは、上述した実施形態の関節運動アシスト装置１００（図１、図６（Ａ），（Ｂ）参照）と比べて、シリンダ１５１が接続部材１１２に対して回動可能に取り付けられるのではなく、接続部材１１２に固定的に取り付けられている点、及び、第２アーム部材１４２に代えて第２アーム部材１４２Ｂを備える点が異なっている。以下、これらの相違点に主に着目して、説明を行う。
【０１０６】
なお、図９（Ａ），（Ｂ）に示される関節運動アシスト装置１００Ｂでは、図６（Ａ），（Ｂ）と同様に、調整部１８０、配管１９１，１９２、ベルト部材１１７，１１８，１２７，１２８、及び、人体の腕部位等の図示を省略している。
【０１０７】
関節運動アシスト装置１００Ｂでは、シリンダ１５１の円筒中心軸に対向するシリンダ１５１の＋Ｙ方向側面、−Ｙ方向側面それぞれに、ネジ穴が形成加工されている。そして、シリンダ１５１は、接続部材１１２によりＵ字形に取り囲まれ、接続部材１１２の２つの挿入穴を利用して、ネジ部材ＳＲＳ1，ＳＲＳ2（ネジ部材ＳＲＳ2については不図示）が当該ネジ穴に挿入される。
【０１０８】
上記の第２アーム部材１４２Ｂは、上述した実施形態の第２アーム部材１４２と同様に、例えば、平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸と垂直となるように配設される。第２アーム部材１４２Ｂには、挿入穴及び収容部としての長穴ＬＬが成形加工されている。第２アーム部材１４２Ｂの挿入穴には、第１歯車部材１１３の軸部材ＡＸ１が、第２アーム部材１４２Ｂが軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入される。また、第２アーム部材１４２の長穴ＬＬには、ピストンロッド１５３における下端部に設けられた突起部ＪＴＲが長穴方向に沿って移動可能に挿入される。
【０１０９】
《動作》
以上のようにして構成された関節運動アシスト装置１００Ｂの動作、すなわち、肘関節の機構を利用する関節運動のアシスト動作に着目して説明する。
【０１１０】
なお、当初においては、図９（Ａ）に示されるように、肘関節は、伸展状態にあるものとする。
【０１１１】
肘関節運動のアシスト動作は、肘関節を伸展状態から屈曲状態にする際には、調整部１８０によるシリンダ室内の空気圧調整により、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分を伸長させる。ピストンロッド１５３の伸長行程において、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が伸長したときの関節運動アシスト装置１００Ｂの状態が、図９（Ｂ）に示されている。図９（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド１５３の伸長行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、−Ｚ方向に直線運動する。
【０１１２】
こうしてピストンロッド１５３の下端部が、−Ｚ方向に直線運動すると、当該下端部と第１歯車部材１１３との距離が変化しつつ、第２アーム部材１４２Ｂが、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、＋Ｙ方向を視線方向としたＸＺ平面視で反時計回りに回転する。このとき、第２アーム部材１４２Ｂの長穴に挿入されている突起部ＪＴＲの当該長穴における位置が変化するので、ピストンロッド１５３の下端部の−Ｚ方向へ直線運動、及び、第２アーム部材１４２Ｂの回転を妨げることはない。
【０１１３】
第２アーム部材１４２Ｂが、反時計回りに回転すると、上述した実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、第１アーム部材１４１を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、反時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３が、反時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として反時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、反時計回りに回転する。この結果、実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が狭まり、肘関節は伸展状態から屈曲状態になる。
【０１１４】
また、肘関節が屈曲状態であるとき（図９（Ｂ）参照）に、肘関節を屈曲状態から伸展状態にする際には、調整部１８０によるシリンダ室内の空気圧調整により、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分を収縮させる。
【０１１５】
ピストンロッド１５３の収縮行程において、シリンダ１５１からのピストンロッド１５３の突出部分が収縮したときの関節運動アシスト装置１００Ｂの状態が、図９（Ａ）に示されている。図９（Ａ），（Ｂ）に示されるように、当該ピストンロッド１５３の収縮行程により、ピストンロッド１５３の下端部が、＋Ｚ方向に直線運動する。
【０１１６】
こうしてピストンロッド１５３の下端部が、＋Ｚ方向に直線運動すると、当該下端部と第１歯車部材１１３との距離が変化しつつ、第２アーム部材１４２Ｂが、第１歯車部材１１３の中心軸の回りを、時計回りに回転する。このとき、第２アーム部材１４２Ｂの長穴におけるピストンロッド１５３の下端部の位置が変化するので、ピストンロッド１５３の下端部の＋Ｚ方向へ直線運動、及び、第２アーム部材１４２Ｂの回転を妨げることはない。
【０１１７】
第２アーム部材１４２Ｂが、時計回りに回転すると、上述した実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、第１アーム部材１４１を介して、第２歯車部材１２３に、肘関節の回動方向と略平行な方向で、時計回りに回動するための回動力が付与される。そして、第２歯車部材１２３に当該回動力が付与されると、第２歯車部材１２３が、時計回りに自転しつつ、第１歯車部材１１３の中心軸を中心として時計回りに公転する。こうして第２歯車部材１２３が自公転すると、第２歯車部材１２３に固定的に接続されている前腕外骨格部材１２１が、時計回りに回転する。この結果、実施形態における肘関節運動のアシスト動作と同様に、上腕部に固定されている上腕外骨格部材１１１と、前腕部に固定されている前腕外骨格部材１２１とが交差する角度が広がり、肘関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【０１１８】
したがって、肘関節の運動をアシストする第２変形例によれば、構造がコンパクトであるとともに、肘関節の関節運動を適切にアシストすることができる。
【０１１９】
なお、上記の実施形態及び第２変形例では、人体の右肘関節の運動をアシストする関節運動アシスト装置を説明したが、左肘関節の運動をアシストする関節運動アシスト装置であってもよいことは勿論である。また、上記の第１変形例では、人体の右側股関節の運動をアシストする関節運動アシスト装置を説明したが、左側股関節の運動をアシストする関節運動アシスト装置であってもよいことも勿論である。
【０１２０】
また、実施形態に対する第１変形例への変形、すなわち、股関節の運動アシストへの採用を、第２変形例に適用することができるのは勿論である。
【０１２１】
また、肘関節や股関節以外の例えば膝関節等の運動をアシストするに際して、本発明の関節運動アシスト装置を適用することができるのは勿論である。
【０１２２】
上記の実施形態、第１及び第２変形例では、第１歯車部材及び第２歯車部材を、円柱形状の外周部に歯部が形成された外歯車とした。これに対して、図１０（Ａ）のＹ方向視図及び図１０（Ｂ）のＸ方向視図により総合的に示されるように、軸部材ＡＸ１を中心軸とする有底円筒形状の部材の内周部に歯部が形成された内歯車を第１歯車部材１１３Ｃとし、軸部材ＡＸ２を中心軸とする円柱形状の部材の外周部に歯部が形成された外歯車を第２歯車部材１２３Ｃとするようにしてもよい。
【０１２３】
第１歯車部材１１３Ｃは、＋Ｙ方向側に底面を有しており、当該底面に軸部材ＡＸ１が取り付けられている。そして、第１歯車部材１１３Ｃは、上腕外骨格部材１１１の肘関節側端部の−Ｙ方向側に固定的に接続されている。また、第２歯車部材１２３Ｃは、前腕外骨格部材１２１の肘関節側端部の＋Ｙ方向側に固定的に接続されている。
【０１２４】
この場合には、第１歯車部材及び第２歯車部材が外歯車である場合と異なり、ピストンロッド１５３の収縮行程の際には、２つの外骨格部材が交差する角度が狭まり、関節は伸展状態から屈曲状態になる。また、ピストンロッド１５３の伸長行程の際には、２つの外骨格部材が交差する角度が広がり、関節は屈曲状態から伸展状態になる。
【０１２５】
また、第１歯車部材及び第２歯車部材として、図１１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、軸部材ＡＸ１を中心軸とする楕円柱形状の部材の外周部に歯部が形成された外歯車を第１歯車部材１１３Ｄとし、軸部材ＡＸ２を中心軸とする楕円柱形状の部材の外周部に歯部が形成された外歯車を第２歯車部材１２３Ｄとするようにしてもよい。ここで、図１１（Ａ）には、シリンダからのピストンロッド１５３の突出部分が収縮しているときの状態が示され、図１１（Ｂ）には、当該突出部分が伸長しているときの状態が示されている。
【０１２６】
この場合には、第２歯車部材１２３Ｄが、第１歯車部材１１３Ｄの回りを回転する際に、軸部材ＡＸ１，ＡＸ２間の距離が変化する。このため、当該距離の変化に対応した図１１に示される構造のバネ部材ＳＰを有する第１アーム部材１４１Ｄを採用するようにすることができる。第１アーム部材１４１Ｄは、例えば、平板状の鋼鉄製の部材であり、Ｙ軸に垂直となるように第１及び第２歯車部材１１３Ｄ，１２３Ｄの−Ｙ方向側に配置されている。この第１アーム部材１４１Ｄには、軸挿入穴と長穴ＬＨとが形成加工されている。そして、軸挿入穴には、第１歯車部材１１３Ｄの軸部材ＡＸ１が、第１アーム部材１４１Ｄが軸部材ＡＸ１の回りを回動可能となるように挿入される。また、長穴ＬＨには、第２歯車部材１２３Ｄの軸部材ＡＸ２が長穴方向に沿って移動可能に挿入される。
【０１２７】
そして、本変形例では、バネ部材ＳＰの一方の端部にはリングが取り付けられ、当該リングには、軸部材ＡＸ１が回動可能に挿入される。また、バネ部材ＳＰの他方の端部にもリングが取り付けられ、当該リングに軸部材ＡＸ２が回動可能に挿入される。この結果、軸部材ＡＸ１，ＡＸ２間の距離が変化した際にも、軸部材ＡＸ２が長穴ＬＨの長さ方向に移動可能であるため、第１歯車部材１１３Ｄと第２歯車部材１２３Ｄとの噛合を確保することができる。
【０１２８】
ここで、本変形例では、第１アーム部材１４１Ｄは、第１及び第２歯車部材１１３Ｄ，１２３Ｄの−Ｙ方向側に配置されるようにしたが、第１アーム部材１４１Ｄと同様に構成された第１アーム部材を、第１及び第２歯車部材１１３Ｄ，１２３Ｄの＋Ｙ方向側にも配置し、第１及び第２歯車部材１１３Ｄ，１２３Ｄそれぞれを貫く軸部材ＡＸ１及び軸部材ＡＸ２を、−Ｙ方向側及び＋Ｙ方向側に配置された２つの第１アーム部材の軸挿入穴それぞれ及び長穴ＬＨそれぞれに挿入するようにしてもよい。この場合には、第２アーム部材１４２と同様に構成された第２アーム部材を、第１歯車部材１１３Ｄの＋Ｙ方向側にも配置するとともに、ピストンロッド１５３における下端部の＋Ｙ方向側にも突起部ＪＴＲ’を取り付ける（図１２参照）。そして、第１歯車部材１１３Ｄを貫く軸部材ＡＸ１を、−Ｙ方向側及び＋Ｙ方向側に配置された２つの第２アーム部材の一方の挿入穴それぞれに回動可能に挿入する。また、ピストンロッド１５３の−Ｙ方向側に設けられた突起部ＪＴＲ及び＋Ｙ方向側に設けられた突起部ＪＴＲ’を、−Ｙ方向側及び＋Ｙ方向側に配置された２つの第２アーム部材の他方の挿入穴それぞれに回動可能に挿入する。
【０１２９】
また、上述した第１及び第２アーム部材を、第１及び第２歯車部材の−Ｙ方向側及び＋Ｙ方向側に配置する構成を、第２変形例に適用することもできる。
【０１３０】
なお、軸部材ＡＸ１，ＡＸ２間の距離の変化に対応するために、第１アーム部材と第２アーム部材とを一体にし、当該一体となった部材に、軸部材ＡＸ１を挿入するための軸挿入穴と、軸部材ＡＸ２を挿入するための長穴ＬＨと、ピストンロッド１５３に設けられた突起部ＪＴＲを挿入するための挿入穴を形成加工する。そして、バネ部材ＳＰにより、軸部材ＡＸ１と軸部材ＡＸ２とを、弾性的に付勢するようにしてもよい。また、軸部材ＡＸ１と軸部材ＡＸ２とを弾性的に付勢するには、バネ部材ＳＰに代えて、ゴム部材等の他の弾性部材を採用してもよいことは勿論である。
【０１３１】
また、上記の実施形態及び変形例では、第１歯車部材及び第２歯車部材の外周部全体又は内周部全体に歯部が形成されることとしたが、関節の可動範囲に対応して、歯部を歯車部材の外周部の一部又は内周部の一部に形成するようにしてもよい。また、第１歯車部材のピッチ円半径と第２歯車部材のピッチ円半径とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【０１３２】
なお、第１歯車部材及び第２歯車部材の形状は、これらに限定されず、円柱形状、円筒形状、楕円柱形状以外の形状をした外歯車や内歯車であってもよい。また、第１歯車部材及び第２歯車部材の歯すじは、平歯車であってもよいし、例えば、歯すじが回動軸に対して斜めとなっているはすば歯車であってもよい。
【０１３３】
また、上記の実施形態及び変形例では、第１及び第２歯車部材を鋼鉄製としたが、当該部材の素材を、例えば、ガラス繊維や炭素繊維を含む繊維強化プラスチック等の軽量かつ強度のある素材であってもよいことは勿論である。
【０１３４】
また、上記の実施形態及び変形例では、第１及び第２アーム部材、上腕外骨格部材、前腕外骨格部材、腰外骨格部材、大腿外骨格部材、並びに、接続部材を鋼鉄製としたが、当該部材の素材を、例えば、ガラス繊維や炭素繊維を含む繊維強化プラスチック、天然素材である竹等の軽量かつ強度のある素材であってもよいことは勿論である。
【０１３５】
また、上記の実施形態及び変形例では、連接部材として第１アーム部材と第２アーム部材とを備えることとしたが、当該第１アーム部材と第２アーム部材とを一体にした連接部材を採用するようにしてもよい。
【０１３６】
また、上記の実施形態及び変形例では、関節運動アシスト装置を人体の部位に装着するために、布製のベルト部材を利用したが、金属ベルト、プラスチックベルト、又は、針金を利用して、関節運動アシスト装置を人体の部位に装着するようにしてもよい。
【０１３７】
また、上記の実施形態及び変形例では、調整部は、加圧ポンプ、減圧ポンプ、電気−空気圧制御弁、制御部等を備える構成としたが（図４参照）、他の構成であってもよい。例えば、ロータリベーン型のエアポンプと、制御部等と備える構成とすることができる。この場合には、制御部による制御のもとで、エアポンプが、シリンダ室への空気の供給、及び、シリンダ室からの空気の吸引を行うことになる。
【０１３８】
また、調整部の構成としては、シリンダ室への空気の供給、及び、シリンダ室からの空気の吸引を行うことのできる手動式のものであってもよい。また、調整部は、直動ピストンにより仕切られた一方のシリンダ室への空気の供給を行い、他方のシリンダ室内の空気を外気に排出することにより、両シリンダ室の差圧を制御するものであってもよい。
【０１３９】
また、上記の実施形態では、関節を駆動する筋肉に関する生体情報を、筋電図、筋肉の硬さ等の生体信号としたが、利用者の脳波を当該生体情報として採用するようにしてもよい。
【０１４０】
また、本発明の関節運動アシスト装置は、作動流体を空気としたが、水や油等の液体であってもよい。
【０１４１】
本発明の関節運動アシスト装置は、介護や福祉の分野で利用する場合には、介護者がパワーアシスト用の装置として装着するだけでなく、力が弱っている被介護者がパワーアシスト用又はリハビリテーション用の装置としても利用することができる。また、本発明の関節運動アシスト装置は、介護や福祉の分野以外で重量物を持ち上げる等の場合のパワーアシスト装置としても利用することができる。
【０１４２】
また、上記の実施形態においては、人体の関節運動をアシストする関節運動アシスト装置に本発明を適用したが、関節機構を有する人体以外の外骨格形の哺乳類、外骨格形のロボット等の所定対象物の関節運動をアシストする関節運動アシスト装置にも本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
以上説明したように、本発明の関節運動アシスト装置は、所定対象物の関節運動をアシストする関節運動アシスト装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１４４】
１００，１００Ｂ，２００…関節運動アシスト装置、１１１…上腕外骨格部材（第１外骨格部材の一部）、１１２…接続部材（第１外骨格部材の一部）、１１２L…Ｌ字状部材、１１２U…Ｕ字状部材、１１３，１１３Ｃ，１１３Ｄ…第１歯車部材、１１７，１１８…ベルト部材、１２１…前腕外骨格部材（第２外骨格部材）、１２１1…長板状外骨格部材、１２１2…前腕保持部材、１２３，１２３Ｃ，１２３Ｄ…第２歯車部材、１２７，１２８…ベルト部材、１４１，１４１Ｄ…第１アーム部材（第１連接部材）、１４２，１４２Ｂ…第２アーム部材（第２連接部材）、１５０…アクチュエータ、１５１…シリンダ、１５２…直動ピストン、１５３…ピストンロッド、１８０…調整部、１８１…加圧ポンプ、１８２…減圧ポンプ、１８３…電気−空気圧制御弁、１８４…制御部、１８５，１８６…配管、１９１，１９２…配管、２１１…腰外骨格部材（第１外骨格部材の一部）、２１２…接続部材（第１外骨格部材の一部）、２１３…第１歯車部材、２１７…ベルト部材、２２１…大腿外骨格部材（第２外骨格部材）、２２３…第２歯車部材、２２７，２２８…ベルト部材、２４１…第１アーム部材（第１連接部材）、２４２…第２アーム部材（第２連接部材）、２５０…アクチュエータ、２５１…シリンダ、２５２…直動ピストン、２５３…ピストンロッド、２８０…調整部、２９１，２９２…配管、ＡＸ１，ＡＸ２…軸部材、ＪＴＳ1，ＪＴＳ2，ＪＴＲ，ＪＴＲ’…突起部、ＬＨ…長穴、ＬＬ…長穴（収容部）、ＰＴ１…第１給排気ポート、ＰＴ２…第２給排気ポート、ＳＰ…バネ部材、ＳＲ１…第１シリンダ室、ＳＲ２…第２シリンダ室、ＳＲＳ1…ネジ部材、ＳＴ１，ＳＴ２…ストッパ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨格構造を有する所定対象物に装着し、前記所定対象物の一方側部位と他方側部位とを接続している関節の機構を利用する関節運動をアシストする外骨格形の関節運動アシスト装置であって、
前記一方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記一方側部位に固定される第１外骨格部材と；
前記他方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記他方側部位に固定される第２外骨格部材と；
前記第１外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第１外骨格部材の前記一方側部位への固定時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部及び内周部の一方の少なくとも一部に、歯部が形成された第１歯車部材と；
前記第２外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第１歯車部材と噛合可能な歯部が、前記第２外骨格部材の前記他方側部位への固定時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部の少なくとも一部に形成された第２歯車部材と；
前記第１外骨格部材に取り付けられたシリンダと；
前記シリンダ内を往復運動する直動ピストンに一方の端部が連結され、前記シリンダの一方の端部を貫通し、前記直動ピストンとともに往復直線運動するピストンロッドと；
前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保するとともに、前記第２歯車部材が、前記関節の回動運動の回動軸と略平行となる前記第１歯車部材の中心軸の回りを回動可能となるように、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材と前記ピストンロッドにおける他方の端部とを連接する連接部材と；を備え、
前記直動ピストンの行程により、前記ピストンロッド及び前記連接部材を介して、前記第２歯車部材に、前記関節の回動方向と略平行な方向で回動する回動力が付与され、前記第２歯車部材が、前記第１歯車部材との噛み合い位置が変化することにより、自転しつつ、前記第１歯車部材の中心軸を中心として公転することで、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が変化し、前記関節の運動をアシストする、
ことを特徴とする関節運動アシスト装置。
【請求項２】
前記シリンダは、前記関節の回動方向と略平行な方向で、前記第１外骨格部材に回動可能に取り付けられ、
前記連接部材は、前記ピストンロッドにおける他方の端部と前記第２歯車部材とが、前記関節の回動運動の回動軸と略平行となる前記第１歯車部材の中心軸の回りを回動可能となるように、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材と前記ピストンロッドにおける他方の端部とを、前記関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に連接する、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項３】
前記連接部材は、
前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保する第１連接部材と；
前記第１連接部材に固定的に接続されるとともに、前記ピストンロッドにおける他方の端部を前記関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に連接する第２連接部材と；を備える、
ことを特徴とする請求項２に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項４】
前記シリンダは、前記第１外骨格部材に固定的に取り付けられ、
前記連接部材は、前記直動ピストンの行程に伴う前記ピストンロッドにおける他方の端部と前記第１歯車部材との距離の変化を許容しつつ、前記ピストンロッドにおける他方の端部を収容する収容部を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項５】
前記収容部は、前記ピストンロッドにおける他方の端部から前記第１歯車部材の中心部へ向う方向に沿って延びて形成された長穴である、ことを特徴とする請求項４に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項６】
前記連接部材は、
前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保する第１連接部材と；
前記第１連接部材に固定的に接続されるとともに、前記収容部を有する第２連接部材と；を備える、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項７】
前記直動ピストンにより仕切られた２つのシリンダ室のそれぞれの作動流体圧を調整する調整部を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項８】
前記所定対象物は、筋力による関節運動を行う生体であり、
前記関節を駆動する筋力に関する生体情報を検出する検出部を更に備え、
前記調整部は、前記検出部による検出結果に基づいて、前記シリンダ内の作動流体圧を調整する、
ことを特徴とする請求項７に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項９】
前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、互いの軸が平行な円柱形状であり、
前記第１歯車部材の歯部は、前記外周部に形成され、
前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の伸長行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の収縮行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項１０】
前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、互いの軸が平行な楕円柱形状であり、
前記第１歯車部材の歯部は、前記外周部に形成され、
前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の伸長行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の収縮行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項１１】
前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、それぞれ、互いの軸が平行な円筒形状及び円柱形状であり、
前記第１歯車部材の歯部は、前記内周部に形成され、
前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の収縮行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の伸長行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項１２】
前記所定対象物の関節は、肘関節であり、
前記第１外骨格部材は上腕部に固定され、前記第２外骨格部材は前腕部に固定される、
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項１３】
前記所定対象物の関節は、股関節であり、
前記第１外骨格部材は腰部に固定され、前記第２外骨格部材は大腿部に固定される、
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項１】
骨格構造を有する所定対象物に装着し、前記所定対象物の一方側部位と他方側部位とを接続している関節の機構を利用する関節運動をアシストする外骨格形の関節運動アシスト装置であって、
前記一方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記一方側部位に固定される第１外骨格部材と；
前記他方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記他方側部位に固定される第２外骨格部材と；
前記第１外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第１外骨格部材の前記一方側部位への固定時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部及び内周部の一方の少なくとも一部に、歯部が形成された第１歯車部材と；
前記第２外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第１歯車部材と噛合可能な歯部が、前記第２外骨格部材の前記他方側部位への固定時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部の少なくとも一部に形成された第２歯車部材と；
前記第１外骨格部材に取り付けられたシリンダと；
前記シリンダ内を往復運動する直動ピストンに一方の端部が連結され、前記シリンダの一方の端部を貫通し、前記直動ピストンとともに往復直線運動するピストンロッドと；
前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保するとともに、前記第２歯車部材が、前記関節の回動運動の回動軸と略平行となる前記第１歯車部材の中心軸の回りを回動可能となるように、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材と前記ピストンロッドにおける他方の端部とを連接する連接部材と；を備え、
前記直動ピストンの行程により、前記ピストンロッド及び前記連接部材を介して、前記第２歯車部材に、前記関節の回動方向と略平行な方向で回動する回動力が付与され、前記第２歯車部材が、前記第１歯車部材との噛み合い位置が変化することにより、自転しつつ、前記第１歯車部材の中心軸を中心として公転することで、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が変化し、前記関節の運動をアシストする、
ことを特徴とする関節運動アシスト装置。
【請求項２】
前記シリンダは、前記関節の回動方向と略平行な方向で、前記第１外骨格部材に回動可能に取り付けられ、
前記連接部材は、前記ピストンロッドにおける他方の端部と前記第２歯車部材とが、前記関節の回動運動の回動軸と略平行となる前記第１歯車部材の中心軸の回りを回動可能となるように、前記第１歯車部材と前記第２歯車部材と前記ピストンロッドにおける他方の端部とを、前記関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に連接する、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項３】
前記連接部材は、
前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保する第１連接部材と；
前記第１連接部材に固定的に接続されるとともに、前記ピストンロッドにおける他方の端部を前記関節の回動方向と略平行な方向で回動可能に連接する第２連接部材と；を備える、
ことを特徴とする請求項２に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項４】
前記シリンダは、前記第１外骨格部材に固定的に取り付けられ、
前記連接部材は、前記直動ピストンの行程に伴う前記ピストンロッドにおける他方の端部と前記第１歯車部材との距離の変化を許容しつつ、前記ピストンロッドにおける他方の端部を収容する収容部を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項５】
前記収容部は、前記ピストンロッドにおける他方の端部から前記第１歯車部材の中心部へ向う方向に沿って延びて形成された長穴である、ことを特徴とする請求項４に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項６】
前記連接部材は、
前記第１歯車部材と前記第２歯車部材との噛合を確保する第１連接部材と；
前記第１連接部材に固定的に接続されるとともに、前記収容部を有する第２連接部材と；を備える、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項７】
前記直動ピストンにより仕切られた２つのシリンダ室のそれぞれの作動流体圧を調整する調整部を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項８】
前記所定対象物は、筋力による関節運動を行う生体であり、
前記関節を駆動する筋力に関する生体情報を検出する検出部を更に備え、
前記調整部は、前記検出部による検出結果に基づいて、前記シリンダ内の作動流体圧を調整する、
ことを特徴とする請求項７に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項９】
前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、互いの軸が平行な円柱形状であり、
前記第１歯車部材の歯部は、前記外周部に形成され、
前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の伸長行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の収縮行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項１０】
前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、互いの軸が平行な楕円柱形状であり、
前記第１歯車部材の歯部は、前記外周部に形成され、
前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の伸長行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の収縮行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項１１】
前記第１歯車部材及び前記第２歯車部材は、それぞれ、互いの軸が平行な円筒形状及び円柱形状であり、
前記第１歯車部材の歯部は、前記内周部に形成され、
前記ピストンロッドにおける前記シリンダからの突出部分の収縮行程により、前記第１外骨格部材と前記第２外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にし、前記突出部分の伸長行程により、前記交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項１２】
前記所定対象物の関節は、肘関節であり、
前記第１外骨格部材は上腕部に固定され、前記第２外骨格部材は前腕部に固定される、
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【請求項１３】
前記所定対象物の関節は、股関節であり、
前記第１外骨格部材は腰部に固定され、前記第２外骨格部材は大腿部に固定される、
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２２２９６（Ｐ２０１３−２２２９６Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０７４３（Ｐ２０１１−１６０７４３）
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【特許番号】特許第４９８７１４８号（Ｐ４９８７１４８）
【特許公報発行日】平成２４年７月２５日（２０１２．７．２５）
【出願人】（５０２２６５２８６）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【特許番号】特許第４９８７１４８号（Ｐ４９８７１４８）
【特許公報発行日】平成２４年７月２５日（２０１２．７．２５）
【出願人】（５０２２６５２８６）
【Ｆターム（参考）】
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