JP5937935B2 - 装着型動作補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、使用者の身体に装着して当該使用者の動作を補助する装着型動作補助装置に関する。

装着型動作補助装置（以下、単に「補助装置」ともいう）を装着した使用者は、動作中に違和感をおぼえることがある。この違和感は、補助装置が有する関節部の回転軸と、人体部位の回転軸がずれていることが原因の一つである。補助装置の関節部は、そもそも人体の外側に位置しているため、例えば、人体部位と補助装置のフレームについて左右方向の回転軸を一致させたとしても、さらに上下方向や前後方向の回転軸など第２、第３の回転軸を一致させるのは容易ではない。

これに対し、人体部位の回転軸が中心となるように形成した円弧状のガイドレールを設け、このガイドレールに沿ってフレームを移動させる補助装置が提案されている（例えば、特許文献１参照の段落００１３等参照）。かかる構成によれば、第１の回転軸を一致させた上で、第２、第３の回転軸を一致させることが可能となる。その他の構成としては、接合するフレームと関節部を一直線上に配置するのではなく、フレームと関節部の間に例えばL字状の中間部材を介在させて、フレームの回転軸を人体部位の回転軸側へとずらす構成も考えられる。

特開２００９−１７８２５３号公報

ところが、ガイドレールを備えた補助装置は、構造が複雑になるとともに大型化しやすいという欠点がある。また、中間部材を介在させる構成は、その中間部材が人体に干渉しないように大きくせざるを得ないことから、中間部材に大きな曲げモーメントが加わり、強度上の問題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、単純かつコンパクトな構造でありながら、装着者の違和感を低減することができる関節部を備えた装着型動作補助装置を提供することを目的としている。

本発明のある形態に係る装着型動作補助装置は、人体に装着して装着者の動作を補助する装着型動作補助装置であって、第１フレームと、第２フレームと、前記第１フレームと前記第２フレームを接合する関節部と、を備え、前記関節部は、第１関節部材と、第２関節部材と、を有し、前記第１フレーム側の接合部分は、前記第２フレーム側の接合部分よりも人体側に位置しており、前記第１関節部材及び前記第２関節部材は、いずれも前記第１フレーム側の接合部分と前記第２フレーム側の接合部分を渡すようにして配置されるとともに、両接合部分に回転可能に支持されており、前記第１フレームにおける前記第１関節部材の支持位置と前記第２関節部材の支持位置の間隔は、前記第２フレームにおける前記第１関節部材の支持位置と前記第２関節部材の支持位置の間隔よりも狭くなるように構成されている。

かかる構成によれば、第１フレームの接合部分、第２フレームの接合部分、第１関節部材、及び第２関節部材により、閉型四節機構が形成される。そのため、第１フレームに対する第２フレームの回転軸及び第２フレームに対する第１フレームの回転軸、すなわち関節部の回転軸を人体部位の回転軸に近接させることができる。その結果、装着者の違和感を低減することができる。さらに、上記の関節部は、第１関節部材及び第２関節部材が小さくとも一定の効果を奏することができるため、単純かつコンパクトな構造とすることができる。

また、上記の装着型動作補助装置において、前記第１フレームにおける前記第１関節部材の支持位置及び前記第２フレームにおける前記第１関節部材の支持位置を通る直線と、前記第１フレームにおける前記第２関節部材の支持位置及び前記第２フレームにおける前記第２関節部材の支持位置を通る直線との交点が、人体部位の回転軸上に位置するように構成されていてもよい。かかる構成によれば、関節部の回転軸と人体部位の回転軸に一致させることができる。

また、上記の装着型動作補助装置において、前記関節部は人体の股関節に対応する位置に配置されていてもよい。

また、上記の装着型動作補助装置において、前記関節部は人体の足関節に対応する位置に配置されていてもよい。

上述した装着型動作補助装置によれば、単純かつコンパクトな構造でありながら、装着者の違和感を低減することができる関節部を備えた装着型動作補助装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る装着型動作補助装置の正面図である。 図２は、図１に示す装着型動作補助装置の側面である。 図３は、図１に示す足転回関節部の拡大図である。 図４は、本発明と異なる構成における足フレームの動きを示した模式図である。 図５は、本実施形態における足フレームの動きを示した模式図である。 図６は、図１に示すVI−VI矢視断面図である。 図７は、本発明と異なる構成における大腿フレームと第１股フレームの相対位置の変化を示した模式図である。 図８は、本実施形態における大腿フレームと第１股フレームの相対位置の変化を示した模式図である。 図９は、図１に示す股転回関節部の拡大図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

＜補助装置の概要＞
まず、図１及び図２を参照し、本実施形態に係る補助装置１００の概要について説明する。ここで、図１は本実施形態に係る補助装置１００の正面図であり、図２は本実施形態に係る補助装置１００の側面図である。本実施形態に係る補助装置１００は、人体１０１の下肢部に装着して、装着者の動作を補助する装置である。以下では、補助装置１００の各構成要素について、下方に位置するものから順に説明する。また、以下において「前後」、「左右」、「上下」というときは、立った状態の装着者から見て前後、左右、上下をそれぞれ意味するものとする。なお、補助装置１００は、左右対称に構成されている。

足フレーム１０は、靴状に形成された部材であって、装着者の足（ここでは、足首より下の部分をいう）が挿入される。足フレーム１０は、左右方向外側に立上がり部１１を有しており、この立上がり部１１は、足屈伸関節部１３を介して足首フレーム１２に接合されている。なお、足屈伸関節部１３は、回転軸が足関節１０２の屈伸軸（左右方向に延びる回転軸）１０３に一致するように配置されている。また、足首フレーム１２は、足転回関節部１４を介して、下腿フレーム２０に接合されている。足転回関節部１４の詳細については後述する。

下腿フレーム２０は、人体１０１の下腿部の左右方向外側に位置する部材である。下腿フレーム２０は上下方向に延びる板状の形状を有しており、膝駆動装置２１を介して大腿フレーム３０に接合されている。膝駆動装置２１は、いわゆる電動モータであり、下腿フレーム２０に対して大腿フレーム３０を回動させることができる。膝駆動装置２１が作動することで、装着者がしゃがんだ状態から立つ動作等を補助することができる。なお、膝駆動装置２１の回転軸は、膝関節１０４の屈曲軸１０５に一致している。

大腿フレーム３０は、装着者の大腿部の左右方向外側に位置する部材である。大腿フレーム３０は、上下方向に延びる板状の形状を有しており、股旋回関節部３１を介して第１股フレーム３２に連結されている。また、第１股フレーム３２は、図２に示すように、側面視においてU字状の形状を有しており、第１股フレーム３２の内側には、第２股フレーム３４の下方部分が位置している。そして、第１股フレーム３２と第２股フレーム３４は、股転回関節部３３を介して接合されている。また、第２股フレーム３４は、股駆動装置３５を介して、骨盤フレーム５０に接合されている。

股駆動装置３５は、いわゆる電動モータであり、骨盤フレーム５０に対して大腿フレーム３０を回動させることができる。股駆動装置３５が作動することで、装着者の歩行等を補助することができる。また、股駆動装置３５の回転軸は、使用者の股関節１０６の屈曲軸１０７に一致している。なお、上述した股旋回関節部３１及び股転回関節部３３の詳細については後述する。

骨盤フレーム５０は、装着者の骨盤を左右両側及び後方から囲む部材である。骨盤フレーム５０は、左右に位置する側面部材５１と、両側面部材５１をつなぐ背面部材５２とを有している。骨盤フレーム５０のうち、背面部材５２の左右方向中央部分には、腰旋回関節部５３が設けられている。この腰旋回関節部５３は、骨盤フレーム５０と背部フレーム６０を接合している。腰旋回関節部５３の詳細については後述する。

背部フレーム６０は、人体１０１の背面側に位置する部材である。背部フレーム６０は、いわゆる背負子であって、バッテリや制御器を収容したバックパック（不図示）が取り付けられる。バックパックに収容された制御器は、膝駆動装置２１及び股駆動装置３５を所定のプログラムに基づいて駆動させる。

＜足転回関節部＞
次に、図３を参照して、足転回関節部１４の詳細について説明する。図３は、図１に示す足転回関節部１４の拡大図である。足転回関節部１４は、人体１０１の足関節１０２に対応する位置に配置されており、足首フレーム１２と下腿フレーム２０を接合する関節部である。ここで、足転回関節部１４の構成を説明する前に、足首フレーム１２と下腿フレーム２０の位置関係について説明する。図３に示すように、足首フレーム１２の上方部分にあたる足首フレーム１２側の接合部分は、下腿フレーム２０の下方部分にあたる下腿フレーム２０側の接合部よりも人体１０１側に位置している。

足転回関節部１４は、下方側に位置する第１関節部材１５と、上方側に位置する第２関節部材１６と、を有している。第１関節部材１５及び第２関節部材１６は、足首フレーム１２と下腿フレーム２０を渡すように配置されている。なお、図２に示すように、第１関節部材１５及び第２関節部材１６は、それぞれ足首フレーム１２及び下腿フレーム２０の前方側及び後方側の２箇所に配置されている。さらに、第１関節部材１５及び第２関節部材１６は、接合ピン１７を介して、足首フレーム１２及び下腿フレーム２０に回転可能に支持されている。

足首フレーム１２における第１関節部材１５の支持位置と第２関節部材１６の支持位置の間隔は、下腿フレーム２０における第１関節部材１５の支持位置と第２関節部材１６の支持位置の間隔よりも狭くなるように構成されている。さらに言えば、足首フレーム１２における第１関節部材１５の支持位置及び下腿フレーム２０における第１関節部材１５の支持位置を通る直線１８と、足首フレーム１２における第２関節部材１６の支持位置及び下腿フレーム２０における第２関節部材１６の支持位置を通る直線１９との交点が、正面視において人体１０１の足関節１０２に一致するように配置されている。

このように、足首フレーム１２側の接合部分、下腿フレーム２０側の接合部分、第１関節部材１５、及び第２関節部材１６により、閉型四節機構が形成されている。そのため、足首フレーム１２と下腿フレーム２０は相対的に移動することができる。さらに、第１関節部材１５上を通る直線１８と、第２関節部材１６上を通る直線１９との交点が正面視において足関節１０２に一致するように配置されている。そのため、足首フレーム１２（ひいては足フレーム１０）と下腿フレーム２０は、人体１０１の足関節１０２を中心として円弧状に移動することができる。つまり、足転回関節部１４の回転軸を、足関節１０２の転回軸（前後方向に延びる回転軸；図２参照）１０８に一致させることができる。

続いて、足転回関節部１４の回転軸が、足関節１０２の転回軸１０８に一致している場合の効果について説明する。ここでは、装着者が自ら足を引き上げたときの足フレーム１０の動作に注目する。図４は、足フレーム１０の接合部分、足転回関節部１４Ａ、及び下腿フレーム２０の接合部分が上下方向に一直線上に配置されている場合、すなわち足転回関節部１４Ａの回転軸が足関節１０２の転回軸１０８とずれている場合の足フレーム１０の動きを示した模式図である。また、図５は、本実施形態における足フレーム１０の動きを示した模式図である。なお、図４及び図５は、説明を簡単にするために、構成が簡略化されている。

装着者が足を引き上げるとき、足フレーム１０には装着者の足裏の中央にあたる部分に上方の力がかかる（図４及び図５における黒矢印を参照）。そして、図４に示す場合、足フレーム１０にかかる力の延長線上から足転回関節部１４Ａの回転軸が大きくずれている。そのため、図４の右側の図に示すように、足フレーム１０は足転回関節部１４Ａの回転軸を中心に回転してしまう。その結果、装着者の足が足関節１０２の転回軸１０８を中心に内転して足首が捻られた状態となり、装着者は違和感を覚える。

これに対し、本実施形態の場合、図５に示すように、足フレーム１０にかかる力の延長線上に足転回関節部１４の転回軸１０８が位置している。そのため、足フレーム１０には回転力が生じず、装着者は足首を捻ることなく足をまっすぐ上に引き上げることができる（図５の右図を参照）。このように、本実施形態の足転回関節部１４によれば、装着者の違和感を低減させることができる。また、本実施形態の足転回関節部１４は、第１関節部材１５や第２関節部材１６が小さくとも十分に機能を発揮することができるため、単純でコンパクトな構成とすることができる。

＜股旋回関節部＞
次に、図６を参照して、股旋回関節部３１の詳細について説明する。図６は、図１に示すVI−VI矢視断面図である。なお、図６の紙面下側が前方である。股旋回関節部３１は、人体１０１の股関節１０６に対応する位置に配置されており、大腿フレーム３０と第１股フレーム３２を接合する関節部である。ここで、大腿フレーム３０の上方部分にあたる大腿フレーム３０側の接合部分は、第１股フレーム３２の下方部分にあたる第１股フレーム３２側の接合部分よりも人体１０１側に位置している。

また、股旋回関節部３１は、前方側に位置する第１関節部材３６と、後方上方側に位置する第２関節部材３７と、を有している。第１関節部材３６及び第２関節部材３７は、いずれも大腿フレーム３０の上面と第１股フレーム３２の下面を渡すように配置されている。また、第１関節部材３６及び第２関節部材３７は、いずれも接合ピン３８を介して、大腿フレーム３０及び第１股フレーム３２に回転可能に支持されている。

さらに、大腿フレーム３０における第１関節部材３６の支持位置と第２関節部材３７の支持位置の間隔は、第１股フレーム３２における第１関節部材３６の支持位置と第２関節部材３７の支持位置の間隔よりも狭くなるように構成されている。さらに言えば、大腿フレーム３０における第１関節部材３６の支持位置及び第１股フレーム３２における第１関節部材３６の支持位置を通る直線３９と、大腿フレーム３０における第２関節部材３７の支持位置及び第１股フレーム３２における第２関節部材３７の支持位置を通る直線４０との交点が、平面視において人体１０１の股関節１０６に一致するように配置されている。

このように、股旋回関節部３１の周辺において、大腿フレーム３０側の接合部分、第１股フレーム３２側の接合部分、第１関節部材３６、及び第２関節部材３７により、閉型四節機構が形成されている。そして、大腿フレーム３０と第１股フレーム３２は、人体１０１の股関節１０６を中心として円弧状に移動することができる。つまり、股旋回関節部３１の回転軸は、股関節１０６の旋回軸（上下方向に延びる回転軸）１０９に一致している。

続いて、股旋回関節部３１の回転軸が、股関節１０６の旋回軸１０９に一致している場合の効果について説明する。ここでは、装着者が歩行するときの大腿フレーム３０と第１股フレーム３２の相対位置の変化に注目する。図７は、大腿フレーム３０側の接合部分、股旋回関節部３１Ａ、及び第１股フレーム３２側の接合部分が上下方向に一直線上に配置されている場合、すなわち股旋回関節部３１Ａの回転軸と股関節１０６の旋回軸１０９がずれている場合における大腿フレーム３０と第１股フレーム３２の相対位置の変化を示した模式図である。また、図８は、本実施形態における大腿フレーム３０と第１股フレーム３２の相対位置の変化を示した模式図である。なお、図７及び図８は、説明を簡単にするために、構成が簡略化されている。

人は歩行する際、大腿部（脚）を腰に対して捻りながら左右の脚を交互に前に出して進む。例えば、右脚を前に踏み出すと、右脚の大腿部は腰に対して時計回りに捻られる。このとき、右脚の大腿部の外側面は、腰の右側の外側面に対して後方に移動することになる。一方、大腿フレーム３０は常に装着者の大腿部の外側面と平行になるように回転し、第１股フレーム３２は常に装着者の腰の外側面と平行になるよう（左右の両股関節１０６をつなぐ線に対して垂直になるよう）に回転する。

そうすると、図７に示す場合、装着者が脚を踏み出すと、大腿フレーム３０は第１股フレーム３２に対して回転するものの、股関節１０６を中心とする周方向においては大腿フレーム３０と第１股フレーム３２の相対位置は変化しない（図７の上図）。つまり、装着者が歩行する際、本来であれば大腿フレーム３０が第１股フレーム３２対して上記周方向に移動するのが自然であるが、図７に示すような場合には、そのような移動は行われない。このように、図７に示すような場合には、大腿フレーム３０及び第１股フレーム３２が装着者の歩行時における動作に追従することができず、装着者は違和感をおぼえる。

これに対し本実施形態の場合、大腿フレーム３０と第１股フレーム３２は股関節１０６を中心とする周方向に移動することができる。例えば装着者が右脚を踏み出すと、右側の大腿フレーム３０は右側の第１股フレーム３２に対して後方（時計方向）に移動することになる（図８の上図）。このように、本実施形態では、大腿フレーム３０と第１股フレーム３２は装着者の歩行動作に追従することができる。そのため、本実施形態の股旋回関節部３１によれば、装着者の違和感を低減させることができる。

＜股転回関節部＞
次に、図９を参照して、股転回関節部３３の詳細について説明する。図９は、図１に示す股転回関節部３３の拡大図である。股転回関節部３３は、人体１０１の股関節１０６に対応する位置に配置されており、第１股フレーム３２と第２股フレーム３４を接合する関節部である。股転回関節部３３は、図９に示すように、下方側に位置する第１関節部材４１と、上方側に位置する第２関節部材４２と、を有している。第１関節部材４１及び第２関節部材４２は、いずれも第１股フレーム３２と第２股フレーム３４を渡すように配置されており、これらのフレームに回転可能に支持されている。また、図２に示すように、第１関節部材４１及び第２関節部材４２は、それぞれ第２股フレーム３４の前方側及び後方側の２箇所に配置されている。なお、第２股フレーム３４の接合部は、第１股フレーム３２の接合部よりも人体１０１側に位置している。

さらに、第２股フレーム３４における第１関節部材４１の支持位置と第２関節部材４２の支持位置の間隔は、第１股フレーム３２における第１関節部材４１の支持位置と第２関節部材４２の支持位置の間隔よりも狭くなるように構成されている。そして、第１股フレーム３２における第１関節部材４１の支持位置及び第２股フレーム３４における第１関節部材４１の支持位置を通る直線４３と、第１股フレーム３２における第２関節部材４２の支持位置及び第２股フレーム３４における第２関節部材４２の支持位置を通る直線４４との交点が、正面視において使用者の股関節１０６に一致するように配置されている。つまり、股転回関節部３３の回転軸は、人体１０１の股関節１０６の転回軸１１０に一致している。そのため、本実施形態の股転回関節部３３によれば、装着者の違和感を軽減することができる。

＜腰旋回関節部＞
次に、腰旋回関節部５３の詳細について説明する。腰旋回関節部５３は、人体１０１の腰１１１に対応する位置に配置されており、骨盤フレーム５０と背部フレーム６０を接合する関節部である。図１に示すように、腰旋回関節部５３は、右側に位置する第１関節部材５４と、左側に位置する第２関節部材５５と、を有している。第１関節部材５４及び第２関節部材５５は、いずれも骨盤フレーム５０の上面と背部フレーム６０の下面を渡すように配置されており、これらのフレームに回転可能に支持されている。また、背部フレーム６０側の接合部は、骨盤フレーム５０側の接合部よりも人体１０１側に位置している。

さらに、背部フレーム６０における第１関節部材５４の支持位置と第２関節部材５５の支持位置の間隔は、骨盤フレーム５０における第１関節部材５４の支持位置と第２関節部材５５の支持位置の間隔よりも狭くなるように構成されている。そして、骨盤フレーム５０における第１関節部材５４の支持位置及び背部フレーム６０における第１関節部材５４の支持位置を通る直線と、骨盤フレーム５０における第２関節部材５５の支持位置及び背部フレーム６０における第２関節部材５５の支持位置を通る直線との交点が、平面視において人体の腰１１１の旋回軸１１２（図１参照）に一致するように配置されている。つまり、腰旋回関節部５３の回転軸は、人体１０１の腰１１１の旋回軸１１２に一致している。そのため、本実施形態の腰旋回関節部５３によれば、装着者の違和感を軽減することができる。

以上、足転回関節部１４、股旋回関節部３１、股転回関節部３３、及び腰旋回関節部５３の詳細について説明したが、いずれの関節部も基本的な構成は同じである。つまり、各関節部によって接合するフレームをそれぞれ「第１フレーム」及び「第２フレーム」とすると、各関節部と第１フレーム及び第２フレームとの関係は以下の通りとなる。すなわち、第１フレーム側の接合部分は、第２フレーム側の接合部分よりも人体側に位置している。そして、関節部を構成する第１関節部材及び第２関節部材は、いずれも第１フレーム側の接合部分と第２フレーム側の接合部分を渡すようにして配置されるとともに、両接合部分に回転可能に支持されている。そして、第１フレームにおける第１関節部材の支持位置と第２関節部材の支持位置の間隔は、第２フレームにおける第１関節部材の支持位置と第２関節部材の支持位置の間隔よりも狭くなるように構成されている。

以上のように構成することで、人体の回転軸と補助装置の回転軸を一致させることが可能である。そして、個々の関節について具体的に説明するまでもなく、人体の回転軸と補助装置の回転軸が一致している方が、当然ながら装着者の違和感は少ない。

以上、本発明の実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

本発明に係る装着型動作補助装置の関節部は、単純かつコンパクトな構造でありながら、装着者の違和感を低減することができる。よって、装着型動作補助装置の技術分野において有益である。

１２ 足首フレーム
１４ 足転回関節部
１５ 第１関節部材
１６ 第２関節部材
２０ 下腿フレーム
３０ 大腿フレーム
３１ 股旋回関節部
３２ 第１股フレーム
３３ 股転回関節部
３４ 第２股フレーム
３６ 第１関節部材
３７ 第２関節部材
４１ 第１関節部材
４２ 第２関節部材
５０ 骨盤フレーム
５３ 腰旋回関節部
５４ 第１関節部材
５５ 第２関節部材
６０ 背部フレーム
１００ 補助装置
１０１ 人体
１０２ 足関節
１０６ 股関節

Claims (4)

1. 人体に装着して装着者の動作を補助する装着型動作補助装置であって、
   第１フレームと、
   第２フレームと、
   前記第１フレームと前記第２フレームを接合する関節部と、を備え、
   前記関節部は、第１関節部材と、第２関節部材と、を有し、
   前記第１フレーム側の接合部分は、前記第２フレーム側の接合部分よりも人体側に位置しており、
   前記第１関節部材及び前記第２関節部材は、いずれも前記第１フレーム側の接合部分と前記第２フレーム側の接合部分を渡すようにして配置されるとともに、両接合部分に回転可能に支持されており、
   前記第１フレームにおける前記第１関節部材の支持位置と前記第２関節部材の支持位置の間隔は、前記第２フレームにおける前記第１関節部材の支持位置と前記第２関節部材の支持位置の間隔よりも狭くなるように構成されている、装着型動作補助装置。
2. 前記第１フレームにおける前記第１関節部材の支持位置及び前記第２フレームにおける前記第１関節部材の支持位置を通る直線と、前記第１フレームにおける前記第２関節部材の支持位置及び前記第２フレームにおける前記第２関節部材の支持位置を通る直線との交点が、人体部位の回転軸上に位置するように構成されている、請求項１に記載の装着型動作補助装置。
3. 前記関節部は人体の股関節に対応する位置に配置されている、請求項１又は２に記載の装着型動作補助装置。
4. 前記関節部は人体の足関節に対応する位置に配置されている、請求項１又は２に記載の装着型動作補助装置。

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