JP2013173190A - 装着式動作補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は装着者の腰の負担を軽減することを課題とする。
【解決手段】装着式動作補助装置１０は、装着者１２の腰に装着される腰フレーム３０又は当該装着者１２の大腿部を駆動する駆動機構１５を有する。腰フレーム３０は、装着者１２の腰に装着された際に装着者１２の背中に当接する背当て部５０を有する。また、装着者１２の肋骨及び腸骨には、腹当て部６０が当接される。背当て部５０及び腹当て部６０は、左右両側に配された結合部材７０により結合される。駆動機構１５は、重量物を持ち上げる際は、背当て部５０及び腹当て部６０を後側に駆動するように駆動モータ２０、２２の駆動トルクを同時に駆動し、装着者１２が歩行する際は、駆動トルクを装着者１２の大腿部を駆動するように第２の連結部１７Ａ、１７Ｂに伝達する。
【選択図】図１

Description

本発明は装着式動作補助装置に係り、特に装着者の作業や動作を支援する装着式動作補助装置に関する。

例えば、工場や工事現場等においては、フォークリフトやクレーンなどの運搬用機械を用いて重量物を運搬している。しかしながら、狭い場所で運搬用機械が移動できない場合には、作業者が金属や石などの重量物を持ち上げて運ぶ場合がある。

このような、作業者による運搬作業を支援する装着式動作補助装置としては、歩行動作を補助するように構成された装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−９５５６１号公報

従来の装着式動作補助装置は、装着者の足の動作を補助するようにモータトルクを発生させるため、装着者の歩行支援や階段の昇り降りを支援することが可能であるものの、装着者が床面に載置された重量物を持ち上げようとする場合には、腰を支える筋力を支援することが難しく、腰の負担を軽減することができないという問題があった。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、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。

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フレームと、
前記腰フレームの後部に設けられ、当該装着者の背中に当接する背当て部と、
当該装着者の肋骨及び腸骨に当接する腹当て部と、
前記背当て部と前記腹当て部とを結合する結合部材と、
前記装着者の大腿に固定される大腿固定部と、
前記腰フレームと前記大腿固定部との間に配置され、前記大腿固定部又は前記腰フレームを駆動する駆動機構と、
前記装着者の動きに応じた生体信号を検出する生体信号検出センサと、
前記生体信号検出センサから出力された生体信号に基づいて前記駆動機構を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする。
（２）本発明の前記背当て部は、前記装着者の背骨を保持するように形成されたことを特徴とする。
（３）本発明の前記腹当て部は、前記装着者の肋骨及び腸骨を保持するように形成されたことを特徴とする。
（４）本発明の前記結合部は、前記背当て部と前記腹当て部とを互いに接近する方向に拘束することにより、当該装着者の腹及び背中を挟持することを特徴とする。
（５）本発明の前記駆動機構は、
前記腰フレームの左右両側に連結された第１の連結部と、
前記大腿固定部に連結された第２の連結部と、
前記第１の連結部と前記第２の連結部とを相対的に回転駆動するように駆動トルクを発生する駆動部とを有することを特徴とする。
（６）本発明の前記駆動部は、前記生体信号検出センサにより検出された広背筋又は大殿筋による前記生体信号の信号レベルに基づいて前記制御部により前記腰フレームを駆動する駆動トルクを制御されることを特徴とする。
（７）本発明の前記制御部は、当該装着者の広背筋又は大殿筋の生体信号の出力レベルと当該装着者の上体と腿との角度から当該装着者の姿勢を判定する姿勢判定手段を有することを特徴とする。
（８）本発明の前記制御部は、複数の生体信号検出センサのうち当該装着者の上体と腿との角度に応じた任意の生体信号検出センサを選択し、当該選択された生体信号検出センサからの生体信号に基づい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。
（９）本発明の前記腰フレームは、左右両側に装着者の肘または運搬する重量物を支持する支持部材が設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、腰フレームに設けられた背当て部と腹当て部とを結合し、駆動機構により当該装着者の大腿に固定された大腿固定部に対し腰フレームを回動させる力を付与するため、装着者が床面に載置された重量物を持ち上げる際、装着者の背骨及び肋骨及び腸骨が背当て部及び腹当て部により保持された状態で、背当て部及び腹当て部が駆動部の駆動トルクにより支持され、装着者の腰及び背骨の負担を軽減できる。これにより、装着者が重量物を持ち上げる場合でも駆動部からの駆動トルクにより支援されて装着者の腰や背骨に無理な力が作用せず、装着者の腰の負担を緩和できる。

本発明による装着式動作補助装置の一実施例を斜め前側からみた斜視図である。 本発明による装着式動作補助装置の一実施例を斜め後側からみた斜視図である。 装着式動作補助装置の構成を示す分解斜視図である。 装着式動作補助装置を用いて装着者が重量物を持ち上げる作業を支援する場合を示す図である。 装着式動作補助装置を用いて装着者が重量物を持った状態で階段を上がる作業を支援する場合を示す図である。 装着式動作補助装置の制御系を示すブロック図である。 各制御機器の接続を示すブロック図である。 広背筋の生体電位信号及び股関節角度に基づいて制御装置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。 左右腿の生体電位信号を用いて制御装置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。 Ｓ１５の制御処理を説明するためのフローチャートである。 大殿筋の生体電位を用いる場合の股関節角度に応じたゲインの切替を示す図である。 広背筋の生体電位を用いる場合の股関節角度に応じたゲインの切替を示す図である。 装着式動作補助装置の変形例１の構成を示す分解斜視図である。 装着式動作補助装置の変形例２の構成を示す分解斜視図である。 装着式動作補助装置の変形例３を用いて装着者が重量物を持ち上げる作業を支援する場合を示す図である。 装着式動作補助装置の変形例３を用いて装着者が重量物を持った状態で階段を上がる作業を支援する場合を示す図である。

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。

〔装着式動作補助装置の構成〕
図１は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を斜め前側からみた斜視図である。図２は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を斜め後側からみた斜視図である。図１及び図２に示されるように、装着式動作補助装置１０（以下「動作補助装置」と称する）は、装着者１２の作業や動作を支援（アシスト）する装置であり、脳からの信号により筋力を発生させる際に生じる生体信号（表面筋電位）及び／又は当該装着者の股関節の動作角度を検出し、この検出信号に基づいて駆動部からの駆動力を付与するように作動する。

動作補助装置１０を装着した装着者１２は、自らの意思で重量物を持ち上げて運搬動作を行う場合、その際に発生した広背筋又は大殿筋（大臀筋）の生体信号及び／又は当該装着者１２の股関節の動作角度に応じた駆動トルクがアシスト力として動作補助装置１０から付与される。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重量物を持ち上げて運搬することができる。

また、動作補助装置１０は、重量物を持ち上げて歩行する運搬作業以外にも、例えば、装着者１２が荷物を持ったまま階段を上り下りするといった昇降作業も補助することができる。

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の腰に装着される腰フレーム３０又は当該装着者１２の大腿部を駆動する駆動機構１５を有する。腰フレーム３０は、装着者１２の腰に装着された際に装着者１２の背中に当接する背当て部５０が設けられている。また、装着者１２の前側には、肋骨及び腸骨に当接する腹当て部６０が装着される。背当て部５０及び腹当て部６０は、左右両側に配された結合部材７０により結合されると共に、当該装着者１２の肋骨及び背骨を前後方向から保持する。

駆動機構１５は、腰フレーム３０の両側に連結された一対の第１の連結部１６Ａ、１６Ｂと、大腿部の外側に配された一対の第２の連結部１７Ａ、１７Ｂと、第１の連結部１６Ａ、１６Ｂと第２の連結部１７Ａ、１７Ｂとの間に設けられた駆動モータ（駆動部）２０、２２とを有する。

駆動機構１５は、重量物を持ち上げる際は、腰フレーム３０を後側に駆動するように駆動モータ２０、２２の駆動トルクを同時に一対の第１の連結部１６Ａ、１６Ｂに伝達する。この場合、第１の連結部１６Ａ、１６Ｂが被駆動側であり、第２の連結部１７Ａ、１７Ｂが固定側となる。

また、駆動機構１５は、歩行及び階段の昇降時において、装着者１２の左右大腿部を交互に前後方向に駆動するように駆動モータ２０、２２の駆動トルクを一対の第２の連結部１７Ａ、１７Ｂに伝達する。この場合、第１の連結部１６Ａ、１６Ｂが固定側であり、第２の連結部１７Ａ、１７Ｂが被駆動側となる。

駆動モータ２０，２２は、制御ユニット３６に収納された制御装置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モータなどの電動モータからなる。また、各駆動モータ２０，２２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。

また、装着者１２の腰の周囲に装着される腰フレーム３０には、駆動モータ２０，２２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。

また、装着者１２の背面側となる腰フレーム３０の後側中央には、制御ユニット３６が取り付けられている。

そして、動作補助装置１０は、装着者１２の右腿の動きに伴う大腿直筋、大殿筋の生体電位を検出する複数の生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ（３８ａ_１〜３８ａ_ｎ，３８ｂ_１〜３８ｂ_ｎ）と、装着者１２の左腿の動きに伴う大腿直筋、大殿筋の生体電位を検出する複数の生体信号検出センサ４０ａ，４０ｂ（４０ａ_１〜４０ａ_ｎ，４０ｂ_１〜４０ｂ_ｎ）と、装着者１２の背中の広背筋の生体電位を検出する複数の生体信号検出センサ４２ａ，４２ｂ（４２ａ_１〜４２ａ_ｎ，４２ｂ_１〜４２ｂ_ｎ）を有する。各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂは、夫々各検出対象となる筋肉（大腿直筋、大殿筋、広背筋）に対して複数箇所（１〜ｎ箇所）に設けられており、後述するように装着者１２の動作に応じて検出レベルの最も高い検出センサを選択することができる。

各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ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）を皮膚から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。

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。

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によって検出された生体信号に基づいて股関節に対応する２個の駆動モータ２０，２２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の作業動作及び歩行、階段の昇降を補助するように構成されている。

図３は装着式動作補助装置の構成を示す分解斜視図である。図３に示されるように、装着者１２の腰に装着される腰フレーム３０の背当て部５０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と、腰サポート部１１０の内側に形成されたフィッティング部１１２が取り付けられている。また、フィッティング部１１２は、スポンジ又は低反発樹脂材などからなり、装着者１２の腰及び背中に当接して装着者１２の腰及び背骨を保護する。

また、腰フレーム３０の腰サポート部１１０は、装着者１２の腰及び背中を背面側及び左右両側からサポートするように形成されているため、駆動モータ２０，２２の駆動トルクを装着者１２の腰及び背中全体に伝達することができる。

腹当て部６０は、例えば剛性を有する金属材又は硬質樹脂材等からなり、装着者１２の肋骨及び腸骨形状に対応するように湾曲した曲面形状に形成されている。また、腹当て部６０は、腰フレーム３０と分離されており、外側の両端付近には、結合部材７０が係止される係止金具６２が締結されている。結合部材７０は、金属製のバックルなどからなり、背当て部５０に対し前後方向に移動可能に付勢されている。尚、結合部材７０としては、例えばベルトを巻き付け結合させる構成のものでも良い。

従って、腹当て部６０を装着者１２の腹部（肋骨及び腸骨）に当接させた状態で背当て部５０の結合部材７０を腹当て部６０の係止金具６２に係止させることにより、腹当て部６０及び背当て部５０は、相互に固定されると共に、装着者１２の腹及び背中を挟持する。これにより、装着者１２は、腹当て部６０及び背当て部５０により肋骨及び腸骨、背骨が前後方向から拘束された状態に保持され、安定状態にサポートされる。

第１の連結部１６Ａ，１６Ｂは、腰フレーム３０と関節２４Ａ，２４Ｂとの前後方向の相対変位を吸収するように変形する腰部連結機構２００を有する。また、腰部連結機構２００は、上端が腰フレーム３０に設けられた上端固定部１０２に固定され、下端が関節２４Ａ，２４Ｂに設けられた下端固定部１０６に固定される。

また、第２の連結部１７Ａ，１７Ｂの長手方向の中間位置には、装着者１２の大腿に締結されるベルト状の大腿固定部７８が取り付けられている。大腿固定部７８の内面側には、装着者１２の大腿に密着するフィッティング部７９が取り付けられている。

関節２４Ａ，２４Ｂ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、関節２４Ａ，２４Ｂと駆動モータ２０，２２とは外観上一体化されている。また、関節２４Ａ，２４Ｂは、第１の連結部１６Ａ、１６Ｂと第２の連結部１７Ａ，１７Ｂとを回動可能に支持している。

さらに、駆動モータ２０，２２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、関節２４Ａ，２４Ｂ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。すなわち、関節２４Ａ，２４Ｂ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第１の連結部１６Ａ、１６Ｂと第２の連結部１７Ａ、１７Ｂとの間の回動角度を検出する。

駆動モータ２０，２２は、互いに相対回転可能に組み合わせられたロータとステータとの間で駆動トルクを発生し、ロータ又はステータの何れか一方に係る負荷が駆動トルクを越える場合に固定側となり、負荷の小さいロータ又はステータの何れか他方が被駆動側になる。

腰フレーム３０は、内周面中央に装着者１２の腰後部（背骨）に当接するフィッティング部１１２を有する金属材からなる腰サポート部１１０と、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。

腰フレーム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１１２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のウエストの大きさに応じた長さに調整する。これにより、腰フレーム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。

従って、動作補助装置１０は、装着者１２の腰に腰フレーム３０を装着し、大腿固定部７８を装着者１２の大腿に締結した後、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、背当て部５０の結合部材７０を腹当て部６０の係止金具６２に係止させることで装着完了となる。そのため、装着者１２は、一人で装着及び脱着が可能であり、他の補助者がいなくても簡単に動作補助装置１０を装着して直ちに運搬作業等が行える。尚、大腿固定部７８としては、腿の前後方向から締結する構成でも良いし、あるいは後側を削除して前側半分を保持する半円形状とし、後側はベルトにより保持する構成としても良い。

図４Ａに示されるように、例えば、装着者１２が両足の筋力を増大して腰より下方を固定した場合、右側の股関節角度θ_１と左側の股関節角度θ_２はほぼ均等になる（θ_１≒θ_２）。また、駆動モータ２０，２２は、第２の連結部１７Ａ、１７Ｂを固定側として、第１の連結部１６Ａ、１６Ｂを可動側として駆動トルクを腰フレーム３０の背当て部５０及び結合部材７０を介して腹当て部６０に伝達する。これにより、装着者１２は、腰及び背中、腹を駆動モータ２０，２２の駆動トルクにより保持され、床面に載置された重量物Ｗを持ち上げる作業を行う際の腰の負担が軽減される。

図４Ｂに示されるように、装着者１２が腹筋及び背筋の筋力を増大させて腰より上部を固定して階段を上る場合、右側の股関節角度θ_１と左側の股関節角度θ_２は異なる（θ_１≠θ_２）。そして、腰フレーム３０に連結された第１の連結部１６Ａ、１６Ｂが固定側になり、駆動モータ２０，２２の駆動トルクが第２の連結部１７Ａ、１７Ｂを介して装着者１２の大腿に伝達されて歩行及び階段の昇り降りを支援する。これにより、装着者１２は、重量物Ｗを持った状態での運搬作業がモータトルクにより支援され、大腿の筋肉疲労が軽減される。
〔制御システムの構成〕
図５は動作補助装置の制御系システムの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の股関節角度（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広背筋及び大腿筋の電位等を含む（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（図６参照）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からなる。

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Ｇを適用して指令信号を生成する。このゲインＧは予め設定された値又は関数でも良く、ゲイン変更部１５６を介して調整することができる。

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（図６参照）により検出された関節角度データ）に基づいて各駆動モータ２０，２２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。

物理現象検出部１４２によって検出された股関節角度θ_１，θ_２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。

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。

各駆動モータ２０，２２を駆動する第１、第２モータドライバ９２、９３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に出力する。

各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ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６差動増幅器１０１〜１０６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６差動増幅器１０１〜１０６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、１０^５倍となる１００ｄＢの増幅率が必要になる。

また、角度センサ７０，７２から出力された角度検出信号は、夫々第１、第２角度検出部１１１、１１２に入力される。第１、第２角度検出部１１１、１１２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。

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。

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。

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、随意制御部１５４と、ゲイン変更部１５６とを備えている。
〔制御装置１００が実行する制御処理〕
ここで、制御装置（制御部）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）により検出された股関節角度θ_１，θ_２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）によって検出された筋電位信号ＥＭＧを取得する。

Ｓ１３では、生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂにより検出された左右大腿の各生体信号が左右で均等か否かをチェックする。Ｓ１３において、左右大腿の各生体信号が左右で均等である場合（ＹＥＳの場合）、当該装着者１２が両足の筋力を均等に作用させているため、歩行中ではなく、停止した状態であることを判定できる。そのため、Ｓ１３において、左右大腿の各生体信号が左右で均等である場合は、Ｓ１４に進み、角度センサ７０，７２により検出された当該装着者１２の左右の股関節角度θ_１，θ_２が共に規定角度α（例えば、α＝１７０度）以下か否かをチェックする。この規定角度αは、装着者１２の股関節を中心とする大腿と上体との角度であり、側面からみた場合の上体を前方に低くした姿勢を意味する。

Ｓ１４において、当該装着者１２の左右の股関節角度θ_１，θ_２が共に規定角度α以下の場合（ＹＥＳの場合）、装着者１２が上体を低くした前かがみの姿勢であると判定し、Ｓ１５に進む。Ｓ１５では、上体を低くした姿勢制御を行う。

次のＳ１６では、当該装着者１２の左右の股関節角度θ_１，θ_２が共に規定角度α以上であるか否かをチェックする。Ｓ１６において、股関節角度θ_１，θ_２が共に規定角度α以下の場合（ＮＯの場合）、Ｓ１５の処理を継続する。また、Ｓ１６において、股関節角度θ_１，θ_２が共に規定角度α以上の場合（ＹＥＳの場合）、装着者１２が歩行しているものと判定する。

また、上記Ｓ１３において、左右大腿の各生体信号が左右で均等でない場合は、歩行中であると判定し、Ｓ１７に進む。次のＳ１７では、左右両足の腿に設けられた生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ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。Ｓ１７において、生体検出信号が検出できていない場合（ＮＯの場合）、Ｓ１８に進み、上記Ｓ１１で取得された股関節角度θ_１，θ_２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。

次のＳ１９では、上記Ｓ１８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Ｇを選択する。

そして、Ｓ２０では、選択されたゲインＧにより生成された指令信号（制御信号）が、電力増幅部１５８及びモータドライバ９２，９３に供給される。これにより、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２）は、駆動トルクを発生することになる。

その結果、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２）は、装着者１２から検出した関節角度θ_１，θ_２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、この駆動トルクが装着者１２の腿にアシスト力として伝達される。

このように、装着者１２の関節角度θ_１，θ_２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）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。

例えば、装着者１２が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、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。

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。

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）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）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。

Ｓ２１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。Ｓ２１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〜Ｓ２１）を行う。また、Ｓ２１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。

〔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装置１００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、Ｓ１７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）、Ｓ２２に進み指令関数ｆ（ｔ）及びゲインＧに基づいて、生体電位信号に応じた指令信号を生成する。

次のＳ２３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、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２）より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。

Ｓ２４では、ゲイン変更部１５６による入力があったかどうか確認する。Ｓ２４において、ゲイン変更部１５６による入力があった場合には、上記Ｓ２２に戻り、変更後のゲインＧにより制御処理（Ｓ２２〜Ｓ２４）を行う。また、Ｓ２４において、ゲイン変更部１５６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。

このように、生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ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部１４０（駆動モータ２０，２２）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。
〔Ｓ１５の制御処理〕
図７ＣはＳ１５の制御処理を説明するためのフローチャートである。図７Ｃに示されるように、Ｓ３１では、複数の生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂにより検出された全ての生体電位信号を読み込む。尚、各生体信号検出センサは、ｎ箇所に複数ずつ設けてある。各検出位置により筋肉の動きによって検出される信号レベルが異なるため、各作業又は動作に応じて動作する各筋肉のうち、最も出力レベルの大きい任意の電位信号を検出する生体信号検出センサを選択することを可能とする。メモリ１３０のデータベース格納領域１３０Ａには、装着者１２の股関節角度と各生体信号検出センサの出力レベルとの関係データ、及び駆動トルクを制御するためのパラメータが予め登録されており、装着者１２の股関節角度から出力レベルの最も大きい任意の生体信号検出センサ及びパラメータを抽出することができる。

Ｓ３２では、駆動モータ２０，２２に内蔵された角度センサ７０，７２により検出された当該装着者１２の股関節角度θ_１，θ_２を読み込む。次のＳ３３では、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが０°＜θ＜７０°であるか否かをチェックする。

Ｓ３３において、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが角度範囲（０°＜θ＜７０°）の場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ３４に進み、当該角度範囲（０°＜θ＜７０°）のときに出力レベルが最大となる生体信号検出センサを選択し、当該選択された生体信号検出センサにより検出された生体電位信号、及びパラメータの設定を行う。例えば、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが角度範囲（０°＜θ＜７０°）の場合、生体信号検出センサ４２ａ_１〜４２ａｎ，４２ｂ_１〜４２ｂｎのうち広背筋の筋電位を最も検出する任意の生体信号検出センサ４２ａ，４２ｂを選択する。

次のＳ３５では、上記Ｓ３４で設定された生体電位信号及びパラメータに基づく随意制御処理を行う。尚、生体電位信号及びパラメータに基づく随意制御処理については、既に周知（特許文献１参照）であるので、詳細は省略する。これで、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが角度範囲（０°＜θ＜７０°）の場合の随意制御が終了する。

また、上記Ｓ３３において、股関節角度θ_１，θ_２の平均値が角度範囲（０°＜θ＜７０°）でない場合（ＮＯの場合）、Ｓ３６に進み、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが角度範囲（７０°＜θ＜１４０°）であるか否かをチェックする。

Ｓ３６において、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが角度範囲（７０°＜θ＜１４０°）の場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ３７に進み、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが当該角度範囲（７０°＜θ＜１４０°）のときに生体信号検出センサ４２ａ_１〜４２ａｎ，４２ｂ_１〜４２ｂｎのうち広背筋の筋電位を最も検出する任意の生体信号検出センサ４２ａ，４２ｂを選択し、当該選択された生体信号検出センサにより検出された生体電位信号、及びパラメータの設定を行う。例えば、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが当該角度範囲（７０°＜θ＜１４０°）のときは、全生体信号検出センサの中から広背筋の筋電位を最も検出する生体信号検出センサ４２ａ，４２ｂ及び、大殿筋の筋電位を最も検出する生体信号検出センサ４０ｂ，３８ｂを選択する。

次のＳ３８では、上記Ｓ３７で設定された生体電位信号及びパラメータに基づく随意制御処理を行う。尚、生体電位信号及びパラメータに基づく随意制御処理については、既に周知（特許文献１参照）であるので、詳細は省略する。これで、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが７０°＜θ＜１４０°の場合の随意制御が終了する。

上記Ｓ３６において、股関節角度θ_１，θ_２の平均値が角度範囲（７０°＜θ＜１４０°）でない場合（ＮＯの場合）、Ｓ３９に進み、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが角度範囲（１４０°＜θ＜１７０°）であるか否かをチェックする。

Ｓ３９において、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが角度範囲１４０°＜θ＜１７０°の場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ４０に進み、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが当該角度範囲（１４０°＜θ＜１７０°）のときに全生体信号検出センサの中から大殿筋の筋電位を最も検出する生体信号検出センサ４０ｂ，３８ｂを選択し、当該選択された生体信号検出センサにより検出された生体電位信号、及びパラメータの設定を行う。

次のＳ４１では、上記Ｓ４０で設定された生体電位信号及びパラメータに基づく随意制御処理を行う。尚、生体電位信号及びパラメータに基づく随意制御処理については、既に周知（特許文献１参照）であるので、詳細は省略する。これで、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが角度範囲（１４０°＜θ＜１７０°）の場合の随意制御が終了する。

また、上記Ｓ３９において、股関節角度θ_１，θ_２の平均値θが角度範囲（１４０°＜θ＜１７０°）でない場合（ＮＯの場合）、上記Ｓ３２に戻り、角度センサ７０，７２により検出された当該装着者１２の股関節角度θ_１，θ_２を再度読み込み、Ｓ３３〜Ｓ４０の処理を行う。

図８Ａは大殿筋の生体電位を用いる場合の股関節角度に応じたゲインの切替を示す図である。図８Ａに示されるように、大殿筋の生体電位を用いて随意制御を行う場合、股間接角度θ_１，θ_２の平均値θが０°〜１４０°の角度範囲で検出レベルが小さいので、ゲイン変更部１５６によるゲイン設定値を通常のゲインＧ２よりも高いＧ１に設定する。これにより、股間接角度θ_１，θ_２の平均値θが０°〜１４０°の角度範囲における生体電位の検出レベルの低下を解消でき、随意制御の安定性を確保できる。

また、股間接角度θ_１，θ_２の平均値θが１４０°以上の角度範囲では、大殿筋の生体電位が大きくなるので、ゲイン変更部１５６によるゲイン設定値を通常のゲインＧ２に切り替える（Ｇ１＞Ｇ２）。

図８Ｂは広背筋の生体電位を用いる場合の股関節角度に応じたゲインの切替を示す図である。図８Ｂに示されるように、広背筋の生体電位を用いて随意制御を行う場合、股間接角度θ_１，θ_２の平均値θが０〜１４０°の角度範囲で検出レベルが高いので、ゲイン変更部１５６によるゲイン設定値を通常のゲインＧ２に設定する。これにより、股間接角度θ_１，θ_２の平均値θが０〜１４０°の角度範囲における生体電位の検出レベルを維持できる。

また、股間接角度θ_１，θ_２の平均値θが１４０°以上の角度範囲では、広背筋の生体電位が持続するので、ゲイン変更部１５６によるゲイン設定値を通常のゲインＧ２から小さいゲインＧ３に切り替える（Ｇ２＞Ｇ３）。これにより、股間接角度θ_１，θ_２が１４０°以上の角度範囲における広背筋の生体電位特性による影響を緩和して随意制御の安定性を確保できる。
〔変形例１〕
図９は装着式動作補助装置の変形例１の構成を示す分解斜視図である。図９に示されるように、変形例１の背当て部５０Ａは、腰フレーム３０Ａに対して分離可能に設けられている。腰フレーム３０Ａの背側上面には、２箇所に開口する取付孔５４設けられている。また、背当て部５０Ａには、腰フレーム３０の取付孔５４に嵌合する２本のロッド５２が下方に突出している。

背当て部５０Ａを使用する際は、ロッド５２を腰フレーム３０Ａの取付孔５４に上方から挿入させる。これにより、背当て部５０Ａは、腰フレーム３０Ａに固定される。

また、腹当て部６０Ａは、下面より下方に突出する２本のロッド６４を有する。そして、腰フレーム３０Ａの前側両端の上面に長孔６６が設けられている。この長孔６６は、前後方向に延在するように形成されている。従って、２本のロッド６４を腰フレーム３０Ａの各長孔６６に挿入することにより、腹当て部６０Ａは腰フレーム３０Ａに連結されると共に、前後方向の位置が調整可能となる。

本変形例１では、背当て部５０Ａ及び腹当て部６０Ａが腰フレーム３０Ａと別体に製作することができると共に、使用時には背当て部５０Ａ及び腹当て部６０Ａを腰フレーム３０Ａに簡単に取り付けることができるので、装着式動作補助装置の搬送時には背当て部５０Ａ及び腹当て部６０Ａを分割して梱包が容易に行える。
〔変形例２〕
図１０は装着式動作補助装置の変形例２の構成を示す分解斜視図である。図１０に示されるように、変形例２では、腹当て部６０Ｂは、左右分割形であり、左腹当て部６０Ｂ１と右腹当て部６０Ｂ２からなる。左腹当て部６０Ｂ１及び右腹当て部６０Ｂ２は、上端が肋骨に対向し、下端が腸骨に対向する寸法形状とされ、装着者１２の肋骨から腸骨までの範囲を抑えられるように形成されている。また、左腹当て部６０Ｂ１と右腹当て部６０Ｂ２との中間部分は、開放されており、装着者１２の胸囲に合わせて調整可能になっている。

また、左腹当て部６０Ｂ１には、２本の締結ベルト３００が固定され、右腹当て部６０Ｂ２には、締結ベルト３００を係止する係止部３１０が固定されている。締結ベルト３００は、係止部３１０に対してスライド可能に設けられており、左腹当て部６０Ｂ１と右腹当て部６０Ｂ２との左右方向の間隔を調整できる。

また、左腹当て部６０Ｂ１及び右腹当て部６０Ｂ２は、外側に腰フレーム３０の内側に設けられた結合部３２０に結合されるフック３３０を有する。フック３３０は、結合部３２０に対して回動可能に結合される構造であるので、左腹当て部６０Ｂ１及び右腹当て部６０Ｂ２の取付位置を装着者１２の体形に合わせて調整可能とする。

さらに、背当て部５０の前側端部には、左腹当て部６０Ｂ１及び右腹当て部６０Ｂ２を外側から拘束する拘束ベルト３４０、３５０が取り付けられている。この拘束ベルト３４０、３５０により左腹当て部６０Ｂ１及び右腹当て部６０Ｂ２を背当て部５０に対して固定することができる。

また、第２の連結部１７Ａ，１７Ｂに取り付けられた大腿固定部７８Ａは、前側半分が形成され、後側が開放されている。そのため、装着者１２の両足に装着する際は、腰フレーム３０を装着者１２の腰に固定させた後、大腿固定部７８Ａのフィッティング部７９に腿を当接させた状態で、大腿固定部７８Ａの後側からベルト３６０を腿の裏側に締付けことで容易に締結できる。この変形例２の大腿固定部７８Ａの装着操作は、装着者１２自身が一人でも容易に行えるので、装着操作の簡便化が図られている。
〔変形例３〕
図１１Ａは装着式動作補助装置の変形例３を用いて装着者が重量物を持ち上げる作業を支援する場合を示す図である。図１１Ａに示されるように、腰フレーム３０の左右両側には、Ｌ字状に形成された一対の支持部材４００が設けられている。支持部材４００は、腰フレーム３０に設けられた上端固定部１０２の上部に取り付けられており、腰フレーム３０の側面に対して前後方向に回動可能に支持されている。

また、各支持部材４００は、腰フレーム３０の側面に回動可能に支持された第１の支持部４１０と、第１の支持部４１０の端部に対して略９０°の方向に延在形成された第２の支持部４２０とよりなる。尚、各支持部材４００は、使用しないときは、後方に９０°回動させて第２の支持部４２０が装着者１２の背面側で垂直方向に延在する位置にあり、装着者１２の動作を妨げないように退避されている。

図１１Ｂは装着式動作補助装置の変形例３を用いて装着者が重量物を持った状態で階段を上がる作業を支援する場合を示す図である。図１１Ｂに示されるように、装着者１２が両腕で重量物Ｗを持った状態での運搬作業を行う場合、左右両側の各支持部材４００を前方に９０°回動させる。これにより、各支持部材４００は、第２の支持部４２０が水平状態に回動しており、装着者１２の肘を第２の支持部４２０の上面に当接させて装着者１２の腕にかかる荷重を支えることができる。

例えば、装着者１２が重量物Ｗを両手で持ち上げた状態のまま階段を上がる場合、装着者１２は両腕の肘を各支持部材４００の第２の支持部４２０の上面に載せることで腕の負担が軽減され、階段の昇り動作に集中できる。また、長時間作業により装着者１２の腕が疲れた場合には、重量物Ｗを持ち上げる高さが徐々に低下するが、左右の肘を各支持部材４００に載せることで、腕の疲労が緩和され、重量物Ｗの運搬作業を継続することができる。

また、一対の支持部材４００は、第２の支持部４２０が前方に突出する位置で係止されるストッパ機構を内蔵しているため、第２の支持部４２０の上面に重量物Ｗを直接載置させても、装着式動作補助装置１０がその荷重を支えることができる。この場合、装着者１２は、重量物Ｗが各支持部材４００に支持された状態を維持するように重量物Ｗを保持していれば良いので、腕が疲れて重量物Ｗを持つことが難しい場合にも重量物Ｗの運搬が可能になる。

尚、上記支持部材４００は、腰フレーム３０の側面に回動可能に支持される構成としたが、これに限らず、例えば腰フレーム３０に直接固定した構成あるいは腰フレーム３０と一体な構成としても良い。

上記実施例では、装着式動作補助装置１０を装着して重量物を運搬する作業を行う場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、重量物のない作業環境でも使用することができる。

また、装着式動作補助装置１０を身体障害者のリハビリテーションに用いることも可能である。例えば、背筋や腹筋の弱い装着者の腰の負担を軽減してリハビリテーションを行ったり、あるいは身体障害者が上体を前側に傾ける姿勢に耐えられるような訓練を行うことも可能である。

１０ 装着式動作補助装置
１２ 装着者
１５ 駆動機構
１６Ａ、１６Ｂ 第１の連結部
１７Ａ、１７Ｂ 第２の連結部
２０、２２ 駆動モータ
２４Ａ，２４Ｂ 関節
３０、３０Ａ、３０Ｂ 腰フレーム
３２、３４ バッテリ
３６ 制御ユニット
３８ａ_１〜３８ａ_ｎ，３８ｂ_１〜３８ｂ_ｎ，４０ａ_１〜４０ａ_ｎ，４０ｂ_１〜４０ｂ_ｎ，４２ａ_１〜４２ａ_ｎ，４２ｂ_１〜４２ｂ_ｎ 生体信号検出センサ
５０、５０Ａ 背当て部
５２，６４ ロッド
５４ 取付孔
６０、６０Ａ、６０Ｂ 腹当て部
６０Ｂ１ 左腹当て部
６０Ｂ２ 右腹当て部
６２ 係止金具
６６ 長孔
７０ 結合部材
７０、７２ 角度センサ
７８、７８Ａ 大腿固定部
８６ 電源回路
８８ 入出力インターフェイス
９２、９３ モータドライバ
１００ 制御装置（制御部）
１０１〜１０６ 差動増幅器
１１１、１１２ 角度検出部
１１０ 腰サポート部
１１２ フィッティング部
１２０、１２１ ベルト
１２２ バックル
１２４ 係止用金具
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
１５４ 随意的制御部
１５８ 電力増幅部
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
３００ 締結ベルト
３１０ 係止部
３２０ 結合部
３３０ フック
３４０、３５０ 拘束ベルト
４００ 支持部材

Claims (9)

1. 装着者の腰に装着される腰フレームと、
   前記腰フレームの後部に設けられ、当該装着者の背中に当接する背当て部と、
   当該装着者の腹に当接する腹当て部と、
   前記背当て部と前記腹当て部とを結合する結合部材と、
   前記装着者の大腿に固定される大腿固定部と、
   前記腰フレームと前記大腿固定部との間に配置され、前記大腿固定部又は前記腰フレームを駆動する駆動機構と、
   前記装着者の動きに応じた生体信号を検出する生体信号検出センサと、
   前記生体信号検出センサから出力された生体信号に基づいて前記駆動機構を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。
2. 前記背当て部は、前記装着者の背骨を保持するように形成された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。
3. 前記腹当て部は、前記装着者の肋骨及び腸骨を保持するように形成された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。
4. 前記結合部は、前記背当て部と前記腹当て部とを互いに接近する方向に拘束することにより、当該装着者の腹及び背中を挟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。
5. 前記駆動機構は、
   前記腰フレームの左右両側に連結された第１の連結部と、
   前記大腿固定部に連結された第２の連結部と、
   前記第１の連結部と前記第２の連結部とを相対的に回転駆動するように駆動トルクを発生する駆動部とを有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。
6. 前記駆動部は、前記生体信号検出センサにより検出された広背筋又は大殿筋による前記生体信号の信号レベルに基づいて前記制御部により前記腰フレームを駆動する駆動トルクを制御されることを特徴とする請求項５に記載の装着式動作補助装置。
7. 前記制御部は、当該装着者の広背筋又は大殿筋の生体信号の出力レベルと当該装着者の上体と腿との角度から当該装着者の姿勢を判定する姿勢判定手段を有することを特徴とする請求項１又は６に記載の装着式動作補助装置。
8. 前記制御部は、複数の生体信号検出センサのうち当該装着者の上体と腿との角度に応じた任意の生体信号検出センサを選択し、当該選択された生体信号検出センサからの生体信号に基づい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、６、７の何れかに記載の装着式動作補助装置。
9. 前記腰フレームは、左右両側に装着者の肘または運搬する重量物を支持する支持部材が設けられたことを特徴とする請求項１、５、６の何れかに記載の装着式動作補助装置。

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