JP3917432B2 - Operation support device - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として人体の四肢の動作を支援する動作支援装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間が坂道や階段等を歩行する場合、通常の平坦な道等を歩行する場合より筋力を要し、高齢化や疾病により筋力が弱っている人の場合、自力での歩行が困難なときがある。
【０００３】
また、自重以外に荷物や介護すべき他の人間の体を抱えている場合など、坂道等の歩行は特に困難である。
【０００４】
また、高齢や疾病でない場合でも、一人では不可能な重量物を運ぶことができたり、力のいる作業を行うことができたり、あるいは通常より速く歩くことができれば、日常生活や仕事上、便利である。
【０００５】
さらに、そうした動作支援があれば、山道や屋内など通常の車両等では行けない場所に、人がより容易に行くことが出来、災害救助をより速やかに行ったり、若しくは、より快適にレジャー等を楽しむことが出来る。
【０００６】
動作支援装置の従来技術としては、人間の四肢のうち、主として腕の動作を支援する機械装置として、例えば特開２００１−１４５６３８号公報や特開平９−２８５９８４号公報等に記載されているように、人体の発生している力を検出して、その力に比例した力を対象物に加えるものがある。
【０００７】
また、特開平１１−２７７４７３号公報に記載されている技術のように、高齢化や疾病等による腕の震えを補い、きれいな文字等を書くための支援装置も提案されている。
【０００８】
また、下肢の運動の支援に関しては、特開平７−１１２０３５号公報に記載されているように、人体に装着され、外骨格を形成するビーム状構造物により人体の体重と、外骨格に接続された体重以外の荷重の少なくとも一部を支え、歩行を支援する技術が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術にあっては、人がかがんで物を持ち上げたり、階段を昇ったりしたときの姿勢の違いにより人体各部の筋肉が発生する力に差が生じることは考慮されていない。
【００１０】
また、手で荷物を持ったり物を押したり引いたりしているときに付加される荷重に応じて、支援する力を制御し、人体各部の筋肉が負担する力を、所定の割合で軽減する方法についても考慮されていない。
【００１１】
すなわち、従来技術においては、人体が動作支援装置の荷重計測装置に対して加える力に対して、ある原理により支援装置の加速度を制御するとしているが、例えば、人が足を前に出そうとしているときを考えると、そうした力が計測されるためには、動作支援装置の荷重計測装置に対して足により荷重をかけねばならず、一時的にではあるが、その人にとっては、足を前に出そうとすることを阻害する方向に力が加えられることとなる。
【００１２】
これは脚の動きにとっては動作を妨げるものである。
【００１３】
仮に足を前に出そうとして支援装置の荷重計測装置に前向きの力をかけたとき急速に支援装置の足の部分が前に動いて人体の足を後ろから押したとすれば動作の支援にはなる。しかし、そのときには支援装置の荷重計測装置には、押した足により後ろ向きの荷重がかかる可能性があり、足を前に出すために支援する力を減少するように制御されることとなり、制御をうまく行わないと動作が不安定になる可能性がある。
【００１４】
また、このような制御方法では、人体が自分で発生している各部の力と、支援装置の支援によって発生している各部の力の相対関係が保証されない。つまり、人体が発生している各部の力のバランスが考慮されておらず、人にとって不自然な支援力となる可能性がある。
【００１５】
動作支援装置により、人体が自然に動作を行うためには、例えば動作支援装置がない場合に人体が負担すべき荷重に対し、人体の各部が発生する力（筋力）が、その２分の１とか、８０％とかいった概略一定の割合で人体が発生する力が減少され、所定の動作を行えることが望ましい。
【００１６】
本発明の目的は、手や肩等の上半身で保持している荷物や、押したり引いたりしている物等によって発生する力を含めた、人体に対する全荷重を概略所定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）人体の動作を支援する力を発生する動作支援装置において、人体の大腿部に沿って配置される大腿部支持部材と、人体の脛部に沿って配置される脛部支持部材と、人体の足に沿って配置される足支持部材と、人体の膝近辺に配置され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材とに接続され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材との互いの曲げモーメントを発生する膝モーメント発生部と、人体の踝近辺に配置され、上記脛部支持部材と足支持部材とに接続され、上記脛部支持部材と足支持部材との互いの曲げモーメントを発生する踝モーメント発生部と、上記膝モーメント発生部及び踝モーメント発生部により、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材に発生した力を人体の下肢の複数箇所に伝達する力伝達手段と、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材と人体の下肢との間に発生する力を検出する力センサと、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材の長手方向と、重力を含む人体にかかる加速度の方向の成す角度を検出する角度センサと、上記力センサ及び角度センサからの検出信号に基づいて、人体の動作に対し、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材支持部材からの支援力がないときに人体が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の比率を掛けた支援力を算出し、算出した支援力を発生するように、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する動力源兼制御部とを備える。
【００１８】
（２）好ましくは、上記（１）において、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、それぞれ、長さ方向の寸法を変更する寸法変更手段を有することを特徴とする動作支援装置。
【００１９】
（３）また、好ましくは、上記（１）において、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、それぞれ、長さ方向の寸法を計測する長さ計測手段を有し、この長さ計測手段により計測された寸法に基づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する。
【００２０】
（４）また、好ましくは、上記（１）、（２）又は（３）において、大腿部、脛部、足の少なくとも一つの重量が設定され、その設定された重量に基づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する。
【００２１】
（５）また、好ましくは、上記（１）において、上記力伝達手段は、上記大腿部支持部材を、人体の太腿上下部分に固定する第１の固定部材と、上記脛部支持部材を人体の脛上下部分に固定する第２の固定部材と、上記足支持部材を人体の足に固定する第３の固定部材とを有する。
【００２２】
（６）また、好ましくは、上記（１）、（２）、（３）、（４）又は（５）において、上記動力源兼制御部は、大気圧より高い圧力の気体を発生する動力源を有し、この動力源から発生される圧力を上記膝モーメント発生部、上記踝モーメント発生部に供給することにより、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する。
【００２３】
（７）また、好ましくは、上記（６）において、上記動力源は、圧縮ガスまたは圧縮し液化したガスを貯蔵し、上記動力源兼制御部は、上記動力源からのガスを加熱する加熱手段を、さらに有する。
【００２４】
（８）また、好ましくは、上記（７）において、上記圧縮ガスあるいは液化ガスが膨張あるいは気化、膨張する際の吸熱作用を用いて人体を冷房する冷房手段を、さらに備える。
【００２５】
（９）また、好ましくは、上記（７）において、上記圧縮したガスあるいは液化したガスを加熱する手段による熱を用いて人体を暖房する暖房手段を、さらに備える。
【００２６】
（１０）人体の動作を支援する力を発生する動作支援装置において、人体の腰部に装着される腰支持ベルトと、上記腰支持ベルトの両側面側に、それぞれ、配置される２つの腰部モーメント発生部と、膝部モーメント発生部と、腰部モーメント発生部と膝部モーメント発生部とを接続する外側大腿支持ビームと、上記外側大腿支持ビームを人体の大腿に固定するための大腿上部下部支持ベルトと、上記大腿上部下部支持ベルトと膝の内側に配置される膝部モーメント発生部とを接続する内側大腿支持ビームと、踝部モーメント発生部と、上記膝部モーメント発生部と踝部モーメント発生部とを接続する脛支持ビームと、脛支持ビームを人体の脛部に固定するための脛上装着ベルト及び足首装着ベルトと、足支持部と、上記足支持部と踝部モーメント発生部とを接続する接続版と、足支持部を人体の足先に固定するための足先装着ベルトと、腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部及び踝部モーメント発生部に発生する加速度、回転角度を検出する第１のセンサと、足支持部に加わる荷重を検出する第２のセンサと、上記第１及び第２のセンサからの検出信号に基づいて、腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部、踝部モーメント発生部の各部に一定の軽減率で人体の動作を支援するために、それぞれ発生すべき、動作支援力を演算し、その動作支援のためのエネルギーを、上記各モーメント発生部に供給するエネルギー源兼制御ユニットとを備える。
【００２７】
動力源兼制御部（エネルギー源兼制御ユニット）は、モーメント発生部からの支援力が人体に加えられていないときに人体各部が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の軽減率を掛けた支援力をモーメント発生部に発生させる。
【００２８】
したがって、人体に対する全荷重を概略所定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
まず、本発明の基本概念について説明する。
【００３０】
１．基本概念
図１は、本発明による動作支援装置の概略外観図である。
人体は運動という観点では関節によって接続されたビーム（骨）の集合体であり、ビームとビームとのなす角およびビームのねじれ角を筋肉によって変えているものと見ることができる。
【００３１】
本発明における動作支援装置は、四肢に沿ったビームを人体の関節の位置で、ビームどおしで互いに曲げられるように接続し、駆動機構によってビームとビームとの間に力のモーメントを発生させる。各ビームは人体に装着され、力のモーメントによって発生した力が四肢に伝わるものとする。
【００３２】
人体と動作支援装置との間の力は計測されているものとし、それによって各モーメントを制御する。
【００３３】
人体の四肢の自由度は非常に多く、その全てについてビームの曲げ方向を対応させ、かつ動力によって支援すべく構成しようとすると、動作支援装置が非常に複雑なものになり、重量も過大なものになる可能性がある。
【００３４】
そこで、当初は、特に筋力に負担がかかる動作にかかわる自由度についてのみ支援をすることにし、その後の技術の進展に従って多数の自由度に対応する事にする。
【００３５】
人体の首より上と手足の指とを除く、身体の主要な自由度は、腰を基準に考えると表１の通りである。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１に示した自由度のうち、特に筋力に負担がかかると思われるのは各部位の１番目に挙げている自由度である。
【００３８】
したがって、まず、これら特に筋力に負担がかかる自由度に係わる動作を、装置の動力によって支援し、他の自由度は、支援装置の自由度としては許容するが、動力による支援はしないこととする。
【００３９】
２．モデル化及び基礎式の導出
図２は、人体の数学モデルを示す図である。図２において、下半身をビーム２ａ、３ａ、４ａで表す。
【００４０】
そして、ビーム２ａは大腿、ビーム３ａは脛、ビーム４ａはかかとからつま先の部分である足を示す。各ビームの加速度方向からの角度を図２のように、θ_２θ_３、θ_４と定義する。
【００４１】
なお、ここで加速度といっているのは重力加速度と、その他の加速度による慣性力を合わせた力の方向である。例えば、人が乗り物に進行方向に対して前を向いて乗っていて、その乗り物が加速している時には人体には後向きの慣性力がかかるが、これと重力加速度を合成した方向をここでは加速度方向と定義する。
【００４２】
上半身の重量、荷物や物体との相互作用による上半身から下半身にかかる任意の力は、加速度方向力Ｇ_１と、水平方向の力Ｆ_１と、曲げモーメントｍ_１とで表すことができる。
【００４３】
なお、本発明による支援装置の上半身部分や、支援装置を腰に装着する部分からも人体に力がかかっている可能性があるが、力Ｇ_１、力Ｆ_１、モーメントｍ_１はそれらを差し引いた、脚部以下が負担しなくてはならない力のみをあらわす。
【００４４】
一方、ビーム２ａ、３ａの重量は、それぞれの長さ方向の中間の位置に集中しているものと仮定する。また、足にかかる力は重量を支えている時は足の裏に分布を持ってかかるが、それを積分した併進力とモーメントが等価な力Ｒ_１とＲ_２で代表させる。
【００４５】
一方、足が持ちあがっている時は、逆に足には靴や支援装置の足を支える部分の重量がかかるが、これらも力Ｒ_１とＲ_２とを負にする事で表す事ができる。
【００４６】
各ビームには支援装置から図３に示すような、ビームに直交する力がかかっているものとする。実際には支援装置からの力は下肢の端から少し離れた位置にかかるはずであるが、ここでは人体が発生している力を外部から推定する原理の検討が目的であるので、簡単化のため支援装置からの力はビームの端にかかっているものとして扱う。
【００４７】
これによる方程式の数や未知数の数に変化はなく、力がかかっている位置を正確に取り扱った場合でも以下と同様の式の導出は可能である。また、ビーム２ａの端部には腰を支持する力を想定してビーム方向の力Ｈ_１もかかっているものとする。ここで、体内にかかっている力を図３に示すように、小文字で表す。
【００４８】
各ビームの力のバランスを考えると次式（１）〜（１５）が成り立つ。
【００４９】
m₁+m₂ = G₁L₂sinθ₂+F₁L₂cosθ₂+(1/2)G₂L₂sinθ₂-E₁L₂ ---（１）
m₁+m₂ = r₂L₂sinθ₂+f₂L₂cosθ₂-(1/2)G₂L₂sinθ₂-E₂L₂ ---（２）
r₂ = G₁+G₂- E₁sinθ₂+ E₂sinθ₂-H₁cosθ₂ ---(３）
F₁- E₁cosθ₂+ H₁sinθ₂ = f₂- E₂cosθ₂ --- (４）
m_２- m₃ = r₂L₃sinθ₃-f₂L₃cosθ₃+(1/2)G₃L₃sinθ₃+E₃L₃ ---（５）
m_２- m₃ = r₂L₃sinθ₃-f₃L₃cosθ₃+(1/2)G₃L₃sinθ₃+E₄L₃ ---（６）
r₂ = r₃-G₃- E₃sinθ₃+ E₄sinθ₃ ---（７）
f₂- E₃cosθ₃ = f₃- E₄cosθ₃ ---（８）
-m₃ = R₁L₄-(1/2)G₄L₄cosθ₄ ---（９）
(R₁ + R₂)cosθ₄+ F₂sinθ₄ = r₃+ G₄ ---（１０）
f ₃ = -(R₁ + R₂)sinθ₄+ F₂cosθ₄ ---（１１）
式（１）と（２）両辺の差を取って、
(G₁-r₂)L₂sinθ₂+(F₁-f₂)L₂cosθ₂+G₂L₂sinθ₂-(E₁-E₂)L₂ = 0 ---（１２）
式（３）より、
G₁- r₂ = -G₂+ (E₁- E₂)sinθ₂+ H₁cosθ₂ ---（１３）
式（４）より、
F₁- f₂ = (E₁- E₂)cosθ₂- H₁sinθ₂ ---（１４）
式（１３）、（１４）を式（１２）に代入すると、
{-G₂+(E₁-E₂)sinθ₂}L₂sinθ₂+(E₁-E₂)L₂cos²θ₂+ G₂L₂sinθ₂-(E₁-E₂)L₂ = 0
---（１５）
となり、自動的に成立する。
【００５０】
すなわち、上記式（１）〜（４）のうちの一つの式は独立ではない。同様に、上記式（５）〜（８）のうちの一つの式も独立ではない。
【００５１】
したがって、独立な方程式の数は、式（９）〜（１５）の７個と、（１）〜（４）のうちの１個と、（５）〜（８）のうちの１個との、合計９個である。
【００５２】
変数は、下肢に外部からかかっている力であるＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｒ_１、Ｒ_２、ｍ_１の９個、支援装置からの力であるＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４、Ｈ_１の５個、下肢が自分で発生させている力およびモーメントであるｍ_２、ｍ_３、ｆ_２、ｆ_３、ｒ_２、ｒ_３の６個の合計２０個である。
【００５３】
このうち、Ｇ_１、Ｆ_１、ｍ_１の三個は上半身の姿勢や持っている荷物の重量、腕で発生させている力などによって変化する。
【００５４】
また、例えば、歩いている時には交互に片足を持ち上げることになり、地面についている足には上半身の重量や加速度が、全てかかる一方で、他方の足には上半身の力はかからない。
【００５５】
持ち上げているほうの足のモーメントｍ_１、ｍ_２、ｍ_３は自分の重量や加速度による力を支えるのみとなる。
【００５６】
このように、これらの変数は、たえず変化し、予測や、直接に測定することはできない。
【００５７】
また、ｍ_２、ｍ_３、ｆ_２、ｆ_３、ｒ_２、ｒ_３は体内で発生している力であり通常の方法では測定できない。
【００５８】
一方、Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４はあまり変化しない量であり、予め近似値は分かっている。また、Ｆ_２、Ｒ_１、Ｒ_２の３個は何らかの計測方法により測定が可能と考えられる。
【００５９】
これに対して、動作支援装置からの力は測定可能である。
さらに、各ビームの鉛直方向（あるいは重力と他の加速度を合わせた加速度方向）からの角度θ_２、θ_３、θ_４は支援装置に計測装置をつけることにより測定可能である。
【００６０】
したがって、これらの測定値および予め分かっている変数と、上記の９個の独立な方程式を用いて未知の９個の変数を求める事ができる。
以下、その変数を求める方法ついて述べる。
【００６１】
３．解法
（Ａ）足が地面に着いている場合
［１］現象のシミュレーション（Ｆ_１、Ｇ_１、ｍ_１が既知の場合）
上記式（３）によりｒ_２が求まる。
【００６２】
そして、上記式（４）により次式（１６）を得る。
f₂ = F₁- (E₁- E₂）cosθ₂+ H₁sinθ₂ ---（１６）
次に、上記式（７）に式（３）を代入すると、次式（１７）のようにｒ_３を計算することができる。
【００６３】
r₃ = G₁+G₂- (E₁ -E₂）sinθ₂-H₁cosθ₂ +G₃+(E₃ -E₄）sinθ₃ ---（１７）
そして、上記式（８）に式（１６）を代入して次式（１８）を得る。
【００６４】
f₃ = F₁- (E₁- E₂）cosθ₂+ H₁sinθ₂ - (E₃- E₄）cosθ₃ ---（１８）
式（１０）にｓｉｎθ_４を掛け、上記式（１１）にｃｏｓθ_４を掛けて両辺の引き算を行うと次式（１９）のようになる。
【００６５】
F₂ = (r₃ + G₄)sinθ₄+ f₃cosθ₄ ---（１９）
また、上記式（１）より、ｍ_２は次式（２０）で与えられる。
【００６６】
m₂ = G₁L₂sinθ₂+F₁L₂cosθ₂+(1/2)G₂L₂sinθ₂-E₁L₂ -m₁ ---（２０）
また、ｍ_３は式（５）より次式（２１）のようになる。
【００６７】
m₃ = -r₂L₃sinθ₃+f₂L₃cosθ₃-(1/2)G₃L₃sinθ₃-E₃L₃ +m_２ ---（２１）
また、上記式（９）より次式（２２）を得ることができる。
【００６８】
R₁ = -(m₃/L₄)+(1/2)G₄cosθ₄ ---（２２）
また、上記式（１０）にｃｏｓθ_４を掛け、式（１１）にｓｉｎθ_４を掛けて両辺の加算を行い、式（２２）を代入すると次式（２３）のようになる。
【００６９】
R₂ = r₃ cosθ₄ -f₃sinθ₄ +(m₃/L₄)+(1/2)G₄cosθ₄ ---（２３）
［２］測定値よりＧ_１、Ｆ_１、ｍ_１を求める方法
まず、上記式（１１）よりｆ_３を求める。
【００７０】
そして、上記式（１０）よりｒ_３を求める次式（２４）を得る。
【００７１】
r₃ = (R₁ + R₂)cosθ₄ + F₂sinθ₄ -G₄ ---（２４）
次に、式（９）よりｍ_３を求める次式（２５）を得る。
【００７２】
m₃ = -R₁L₄+(1/2)G₄L₄cosθ₄ ---（２５）
式（８）に式（１１）を代入すると次式（２６）のようになる。
【００７３】
f₂ = -(R₁ + R₂)sinθ₄+ F₂cosθ₄ +(E₃- E₄)cosθ₃ ---（２６）
また、式（７）に式（１０）を代入すると次式（２７）を得る。
【００７４】
r₂ = (R₁ + R₂)cosθ₄+ F₂sinθ₄ -G₃-(E₃- E₄)sinθ₃-G₄ ---（２７）
上記式（５）に式（９）、（２６）、（２７）を代入すると次式（２８）のようになる。
【００７５】
m_２ = -R₁L₄+(1/2)G₄L₄cosθ₄+(R₁ + R₂) L₃sin(θ₄+θ₃)-F₂L₃cos(θ₄+θ₃)+ E₄L₃-(1/2)G₃L₃sinθ₃- G₄L₃sinθ₃ ---（２８）
また、上記式（４）に式（２６）を代入して次式（２９）を得る。
【００７６】
F₁ = -(R₁ + R₂)sinθ₄+ F₂cosθ₄ +(E₃- E₄)cosθ₃ +(E₁- E₂)cosθ₂- H₁sinθ₂ ---（２９）
そして、式（３）に式（２７）を代入して次式（３０）を得る。
【００７７】
r₂ = (R₁ + R₂)cosθ₄+ F₂sinθ₄ -G₃-(E₃- E₄)sinθ₃-G₄ ---（３０）
また、式（１）より次式（３１）を得る。
【００７８】
m₁ = -m₂+G₁L₂sinθ₂+F₁L₂cosθ₂+(1/2)G₂L₂sinθ₂-E₁L₂ ---（３１）
計測されたＲ_１、Ｒ_２、Ｆ_２に対する上半身から下肢にかかる力Ｆ_１、Ｇ_１とモーメントｍ_１は上記式（２８）〜（３１）により計算できる。
【００７９】
［３］必要な外力の計算
実際に制御できるのは支援装置の膝部関節と足首部関節のモーメントのみであるので制御の自由度は２である。足の裏に重量がかかっている時に負担がかかるのも人体の膝と足首であるので、ここでは、まず膝の発生するモーメントｍ^＊ _２、足首のモーメントｍ_３をそれぞれ所定の値ｍ^＊ _２、ｍ^＊ _３にする条件を考える。
【００８０】
膝と足首の力を緩和するにはＥ_２とＥ_４とは影響がないので制御すべき変数はＥ_１とＥ_３のみとなる。
【００８１】
上記式（１）より次式（３２）を得る。
【００８２】
E^* ₁= (G₁L₂sinθ₂+F₁L₂cosθ₂+(1/2)G₂L₂sinθ₂-m₁+m^* ₂)/L₂ ---（３２）
また、上記式（３）と（４）とを上記式（５）に代入すると次式（３３）のようになる。
【００８３】
E^* ₃ =-{G₁+G₂+(1/2)G₃} sinθ₃-(E₁- E₂)cos(θ₂+θ₃)+H₁sin(θ₂+θ₃)+F₁cosθ₃+ {(m^* ₂-m^* ₃)/L₃} ---（３３）
（Ｂ）足が地面から浮いている時
支援装置の足の乗る部分と地面との間の力を計測することにより、これがゼロであれば足が地面から離れている事が分かる。
【００８４】
この場合、Ｇ_１およびｍ_１は上半身の条件によって決まるのではなく下肢の状態や動作によってきまる。また、Ｒ_１は計測量であるとともに足首にかかるモーメントｍ_３を低減するための制御対象量になる。さらに、モーメントｍ_１も外力Ｅ_２により低減すべき制御目標となる。
【００８５】
［４］現象のシミュレーション（外力が既知の場合）
ｆ_３、ｒ_３、ｍ_３を、それぞれ、上記式（１１）、（２４）、（２５）により求める。
【００８６】
また、ｆ_２、ｒ_２、ｍ_２を、それぞれ上記式（２６）、（２７）、（２８）により求める。
【００８７】
また、Ｆ_１、Ｇ_１、ｍ_１を、それぞれ上記式（２９）、（３０）、（３１）により求める。
【００８８】
［５］必要な外力を求める方法
上記式（９）より次式（３４）を得る。
【００８９】
R^* ₁ =(1/2)G₄cosθ₄-(m^* ₃/L₄) ---（３４）
また、上記式（６）に上記式（１１）と（２４）とを代入すると次式（３５）のようになる。
【００９０】
E^* ₄ =-{(m^* ₃-m^* ₂)/L₃}-(R₁+R₂)sin(θ₃+θ₄)+F₂cos(θ₃+θ₄)+{G₄+(1/2)G₃} sinθ₃ ---（３５）
また、上記式（７）、（８）に上記式（１１）、（２４）を代入すると次式（３６）、（３７）を得る。
【００９１】
f₂ =-(R₁+R₂)sinθ₄+F₂cosθ₄+(E₃-E₄) sinθ₃ ---（３６）
r₂ =(R₁+R₂)cosθ₄+F₂sinθ₄-G₄-G₃-(E₃-E₄) sinθ₃ ---（３７）
また、上記式（２）に上記式（３６）、（３７）を代入すると次式（３８）のようになる。
【００９２】
E^* ₂ =(R₁+R₂)sin(θ₂-θ₄) +F₂cos(θ₂-θ₄)+(E₃- E₄)cos(θ₂+θ₃)-{(m^* ₁+m^* ₂)/L₂}-{G₄+G₃+(1/2)G₂} sinθ₂ ---（３８）
４．試算結果
以下、上記式（１）〜（３８）を使って試算を行い、本発明による動作支援装置の特性を検討する。試算の条件を表２に示す。
【００９３】
【表２】

【００９４】
上記表２のうち、Ｌ_１は単にモーメントｍ_１を計算するためだけの量であり、実際の上半身の長さ等を代表するものではない。
【００９５】
以下の例では支援装置によって人体が自分で発生する力を必要な値の半分にする場合について述べるが、必要な値の１０分の１にする場合でも、８０％にする場合でもｍ^＊ _１、ｍ^＊ _２、ｍ^＊ _３をその比率で計算しさえすれば、後述する方法により同様に求める事ができる。
【００９６】
（１）外力がない場合
上半身の重量（Ｇ_１）が５０ｋｇでその重量が片足にかかっている場合であって、外力のない状態での試算例を表３に示し、図４にその時の身体全体の姿勢を線図で示している。
【００９７】
【表３】

【００９８】
図４に示すように、膝は、それ程曲がっておらず、上体は少し屈み気味となっている。この図４に示す状態は、かがんで行く途中、あるいはかがんだ状態から立ち上がろうとしている状態である。
【００９９】
なお、表３の「実際」の欄には、上述した方法によって求めた各部の力およびモーメントが示してある。
【０１００】
足の裏の前側（Ｒ_１）には３６ｋｇ、後側（Ｒ_２）には２５ｋｇの力がかかっている。この時の足の上端、膝、足首が支持しているモーメントの値をそれぞれｍ_１、ｍ_２、ｍ_３の欄に示す。
【０１０１】
一方、表３中の「観測」の欄には計測値Ｅ_１〜Ｆ_２から上記（Ａ）の［２］の方法で求めたＦ_１、Ｇ_１、ｍ_１が示してある。言うまでもなく、これらの値は「実際」の値と一致している。
【０１０２】
また、「外力なし」の欄には「観測」で得られたＦ_１、Ｇ_１、ｍ_１がかかっており、外力Ｅ_１〜Ｈ_１がない時の膝および足首が発生すべきモーメントが示してある。
【０１０３】
そして、「制御」の欄には膝と足首のモーメントを「外力なし」の時の半分にするために必要な外力Ｅ_１〜Ｈ_１を上述した方法で求めた結果が示してある。
【０１０４】
もちろん両足に均等に力がかかっているときは両足ともこれらの半分の力、あるいはモーメントを生じることになる。
【０１０５】
（２）外力を加えた場合
次に、「制御」で求められた外力を加えた時の結果を表４に示す。
【０１０６】
【表４】

【０１０７】
表４に示すように、膝と足首のモーメントｍ_２、ｍ_３は確かに元の半分になっている。また、足の裏にかかる力Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ_２は外力の影響で変化している。
【０１０８】
特に、Ｒ_１が減少し、Ｒ_２が大きく増大しており、かかとに力がかかっている事が分かる。腰を斜め上に持ち上げる力Ｅ_１は正の値、膝を斜め下に押す力Ｅ_３はマイナスとなっており、腰と膝をそれぞれ斜め上に持ち上げようとする力が働いている。
【０１０９】
この結果、膝と足首にかかるモーメントが減ったものである。
【０１１０】
しかし、それらの計測値から計算した「観測」欄のＦ_１、Ｇ_１、ｍ_１の値は元のままの正しい値になっており、それらを元に計算した「外力なし」「制御」の計算値も変っていない。
【０１１１】
これにより、外力が加わっている状態でも、計測値から人体が発生している力を推測して必要な外力を計算できる事が分かる。
【０１１２】
（３）誤差の影響
表４ではＥ_２、Ｅ_４、Ｈ_１はゼロとなっているが、実際には外力Ｅ_１、Ｅ_３を発生する際、Ｅ_２、Ｅ_４、Ｈ_１にも何らかの力が発生する。ただし、それらの力は支援装置と人体との相互関係や人体の状態によって異なる。また、各測定値や設定値には誤差が含まれるはずである。
【０１１３】
そこで、それらを考慮した場合の例を表５に示す。
【０１１４】
【表５】

【０１１５】
表５においては、Ｅ_２、Ｅ_４、Ｈ_１のそれぞれに１ｋｇｆ発生したと想定している。Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４の設定値については、正しい値はそれぞれ５ｋｇｆ、５ｋｇｆ、１ｋｇｆであるのに対し設定値を７ｋｇｆ、４ｋｇｆ、１．５ｋｇｆとし、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ_２は実際よりも１０％小さい値として測定されたとしている。
【０１１６】
この結果、表３に示した誤差のない場合に比べて、ｍ_２、ｍ_３の絶対値はそれぞれ−７％、６．１％変っているが外力なしの場合に比べては依然として半分近くになっており、実用上差し支えない。
【０１１７】
（４）制御に誤差がある場合
（３）に示した誤差に加えて、「制御」で求められた外力Ｅ_１、Ｅ_３を発生する際の計測値に誤差があり実際に発生した力が必要な値より１０％小さかった場合の例を表６に示す。
【０１１８】
【表６】

【０１１９】
表６に示した例の場合、表４に示したの誤差のない場合に比べて、ｍ_２、ｍ_３の絶対値はそれぞれ−０．７％、１０．８％大きくなっている。
【０１２０】
しかし、支援装置として筋肉の発生する力を低減するという点からは十分な機能を有している。
【０１２１】
（５）姿勢が変った場合
表７は、もっと膝を曲げた場合の例、つまり図５に示すような姿勢の場合の例を示す。
【０１２２】
【表７】

【０１２３】
図５に示す姿勢は、例えば、階段を上る時の、これから伸ばそうとしている足に対応した姿勢になっている。
【０１２４】
表７に示した場合の例は、表５の場合に比べてモーメントｍ_２ははるかに大きくなっており膝に大きい負担がかかることが分かる。しかし、支援装置による外力がない場合に比べればはるかに緩和されている。ただし、そのために必要な外力Ｅ_１、Ｅ_２もずっと大きくなっている。
【０１２５】
支援装置から体に加えるべき力の最大値もこのような大きく膝を曲げ、かつ許容できる最大限の重量の荷物を持った状態を想定しておけば良い。
【０１２６】
（６）足を上げた場合
図６は足を上げたときの姿勢を示す図であり、表８に足を上げた場合の各値を示す。
【０１２７】
【表８】

【０１２８】
表８において、腰、膝、足首のモーメントｍ_１、ｍ_２、ｍ_３を軽減するためそれぞれ外力Ｅ_２、Ｅ_４、Ｒ_１が用いられている。
【０１２９】
Ｅ_２は膝を下げる方向が正であるが、ここでは、筋力を軽減するためには膝を持ち上げる力が必要なため負になっている。
【０１３０】
人体が発生しているモーメントｍ_１、ｍ_２、ｍ_３は支援装置からの力が無い場合に比べて半分になっており、装置からの支援の効果があることが分かる。
【０１３１】
（７）歩行している場合
人が前向きに進んでいる時というのは、前向きに加速度を発生している時であり、体の各部には後ろ向きの力がかかる。表９にそのような場合の計算結果を示す。
【０１３２】
【表９】

【０１３３】
表９に示した値は、姿勢は図４に示した姿勢と同様であるが、上半身の重量５０ｋｇに対して重力の１０％の加速度（０．１Ｇ）がかかり、Ｆ_１に５ｋｇｆの力が生じているとして計算した例である。計測や制御の誤差、下肢各部の重量設定値の誤差は表６と同様とした。
【０１３４】
支援装置から腰にかかる太腿に直交する力Ｅ_１が、表６の１．２ｋｇｆに比べ、制御指示値で８ｋｇｆ、誤差を含めた実現値で７．２ｋｇｆと大きく増えている。図４の姿勢から分かるとおり、Ｅ_１の一部は体重を支えるためのものであるが、大部分は前向きに作用するため、体を加速方向に押すことになり前向きの加速を支援している。
【０１３５】
一方、膝にかかる力Ｅ_３はあまり変わっておらず、大部分が体重を支えるための力である。これは上半身の重量を直接受けている腰に支援装置から直接前向きの加速のための力がかかっている為である。
【０１３６】
体に後ろ向きの力がかかった結果として、脛と腿の角度を開く方向のモーメントｍ_２は表６に示した場合に比べ大きく増え、一方、足と脛との角度を狭める方向のモーメントｍ_３は大きい負の値であったものが絶対値が減少している。
【０１３７】
上体と腿との角度を開くためのモーメントｍ_１も後ろ向きの力の影響で半分以下に減少している。表９でｍ_１の実際の値より観測値や外力なし欄の値がかなり小さくなっているが、これは設定した各種計測、制御、設定誤差のためである。
【０１３８】
表１０にそれらすべての誤差を無くした場合を示すが、実際と観測、外力なし、制御の各欄の数値は一致している。
【０１３９】
【表１０】

【０１４０】
以上のように、人が歩行している場合でも上記の方法によって必要な支援装置からの力を算出でき、それによって人体の発生する力をほぼ半減することが可能となっている。
【０１４１】
以下、本発明の一実施形態である動作支援装置を説明する。
【０１４２】
図１において、人体１に装着された動作支援装置２は、腰支持ベルト１０、エネルギー源（動力源）兼制御ユニット３、上半身支持機構４、および歩行支援機構を備える。
【０１４３】
そして、歩行支援機構は、腰部モーメント発生装置２０、大腿支持ビーム３０ａ及び３０ｂ、膝部モーメント発生部４０ａ及び４０ｂ、脛支持ビーム５０ａ及び５０ｂを備える。
【０１４４】
さらに、歩行支援機構は、踝部モーメント発生部６０ａ及び６０ｂ、足支持部７０、大腿上部装着ベルト８０、大腿下部装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００、足首装着ベルト１１０、足先装着ベルト１２０を備える。
【０１４５】
歩行支援機構に備えられた各構成部のうち、左右両足分は、左右対称に装備されているものとする。
【０１４６】
また、腰部モーメント発生装置２０は、腰支持ベルト１０と大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂとを繋ぐとともに足が地面についているときは上半身の重量を支持し、足を上げているときにはその足を持ち上げるためのモーメントを発生する。
【０１４７】
また、この腰支持ベルト１０と大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂとの接続部分は、足や脚を開いたり閉じたりする方向には自由に曲がるものとする。
【０１４８】
また、膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂは、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂと脛支持ビーム５０ａ、５０ｂとを繋ぐとともに膝を曲げたり伸ばしたり、それによって太腿や腰、上半身を上げたり下げたりする筋力を支援するモーメントを発生する。
【０１４９】
また、踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂは、脛支持ビーム５０ａ、５０ｂと足支持部７０を繋ぐとともに、足首を曲げたり伸ばしたり、あるいは足が地面についているときには膝を持ち上げる筋力を支援するモーメントを発生する。
【０１５０】
大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂ、脛支持ビーム５０ａ、５０ｂ、足支持部７０は、それぞれ重力加速度を含む立っている場所の加速度の方向と、それらのビームないし板の方向のなす角度、すなわち、図２のθ_２、θ_３、θ_４を検出するセンサーを有している。
【０１５１】
足支持部７０は、足を支持するとともに足から足支持部７０にかかる力及びそのモーメントを測定するセンサーを有するものとする。
【０１５２】
すなわち、足支持部７０は、図３に示す、足に加えられる力Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ_２に相当する量あるいはそれらを計算により求める事のできる量を測定するセンサーを有する。
【０１５３】
また、足支持部７０は、地面と足支持部７０との間の力及びそのモーメントを測定するセンサーも有する。
【０１５４】
これにより、足が地面についているかどうかを判定するだけでなく、支援装置自体の重量やそれによるモーメントを計測することができる。
【０１５５】
また、大腿上部装着ベルト８０、大腿下部装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００、足首装着ベルト１１０、足先装着ベルト１２０は、それぞれ、各ビームの端部近辺の部位と人体とを接続し、人体とビームとの間で力を伝えるとともに、それらの力、すなわち、図３に示す力Ｈ_１、Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４（Ｈ_１はビームと水平方向に働く力、Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４はビームと垂直方向に働く力）を測定するセンサーを有する。
【０１５６】
大腿上部装着ベルト８０に伝達される力は腰を持ち上げることによって膝の筋肉の発生するモーメントを緩和するが、その位置が膝から離れているほど小さい力で同じモーメントを発生できる。
【０１５７】
人体と本発明による動作支援装置との間の力は、なるべく小さいほうが人体の局所に負担がかからないため、大腿上部装着ベルト８０は大腿の上端に設置できるような構造、寸法になっている事が望ましい。
【０１５８】
同様に、大腿下部装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００は、いずれもなるべく膝に近い位置に装着できる事が望ましい。また、足首装着ベルト１１０は、足首に近い位置に装着できる事が望ましい。
【０１５９】
エネルギー源兼制御ユニット３は、歩行支援機構による計測値θ_２、θ_３、θ_４、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ_２、Ｈ_１、Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４および設定値Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４から人体の負担を軽減するのに必要な力Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４を計算し、膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂおよび踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂの動作制御を行う。
【０１６０】
モーメント発生部の構造の例を図７に示す。この図７に示す例は、腰支持ベルト１０に付けられた腰部モーメント発生部２０に関するものであるが、他の膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂ及び踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂでも同様の構造でモーメントを発生することができる。
【０１６１】
図７の（Ａ）に示すように、腰支持ベルト１０上に設置された軸受け１１と軸１３で結合された台座１２の上にガイドリング２１、軸受け２３、バー２４が設置されている。ここで、人体の脚が開く向きを自由に変えられるように台座１２は軸１３のまわりで角度を変えられるようにしてある。
【０１６２】
大腿支持ビーム３０ａのモーメント発生部２０と繋がる部分は、図７（Ｂ）に示すように、ガイドパネル２２と、軸２５と、バー２６とを備える。ガイドパネル２２は円環状に溝２７を有しており、この溝２７にガイドリング２１が挿入されるようになっている。
【０１６３】
また、軸２５は、軸受け２３に挿入され、ガイドリング２１とガイドパネル２３とは相互に回転できるようになっている。
【０１６４】
図７の（Ｃ）に断面図を示すように、溝２７にガイドリング２１を挿入したときにできる円環状空間には２つのベロー２８が納められ、各ベロー２８の両端は各バー２４、２６に接合されている。
【０１６５】
また、これらのバー２４、２６には、各ベロー２８にガスを送り、あるいはガスを抜く通路が設置してあり、それ以外は気密構造になっている。
【０１６６】
いずれか一方のベロー２８にガスを送り、他方のベロー２８に充満するガスを抜くことでモーメントを発生することができる。圧力の差はほぼモーメントに比例するため、制御は比較的容易である。
【０１６７】
図８は、発生させるモーメントを制御するための制御系統の一例を示す図である。
図８において、ベロー２８ａとベロー２８ｂは、圧力源１３１からガス加熱器１３６を経由して加圧管１３４ａおよび１３４ｂが、それぞれバー２４あるいは２６を通してつながっている。
【０１６８】
圧力源１３１としては、炭酸ガスや窒素ガスなどの高圧ガスボンベ、コンプレッサなどが考えられる。特に、常温で高圧にする事によって液化するガスは圧力源の容積が小さくて済み望ましい。
【０１６９】
ただし、気化やそのあとの膨張によって温度が下がるため、加熱器１３６によってガス温度を常温以上に加熱し、ガス体積を膨張させる事によって作動に要するガスの量を節約できる。
【０１７０】
加圧管１３４ａ及び１３４ｂの途中には電動制御弁１３２ａ及び１３２ｂが設置されている。また、電動制御弁１３２ａ及び１３２ｂと、ベロー２８ａ及び２８ｂとの間には、ガス放出管１３３ａ及び１３３ｂがつなげられ、それぞれの放出管１３３ａ、１３３ｂには電動制御弁１３１ａ及び１３１ｂが設置されている。
【０１７１】
電動制御弁１３１ａと１３２ｂとは、制御信号１３５ａで、電動制御弁１３１ｂと１３２ａは制御信号１３５ｂで制御されるものとする。
【０１７２】
制御信号１３５ａに弁を閉じる信号が供給されると、電動制御弁１３１ａと１３２ｂが閉じ、ベロー２８ａからはガスが抜けなくなり、ベロー２８ｂには高圧ガスが供給されなくなる。
【０１７３】
同時に、制御信号１３５ｂにより、電動制御弁１３１ｂと１３２ａに、これらの弁を開ける信号が供給されると、ベロー２８ａに高圧ガスが供給され、ベロー２８ｂからはガスが抜ける。
【０１７４】
これによって、ベロー２８ａは高圧に、ベロー２８ｂは大気圧になり、モーメントが発生する。
【０１７５】
逆のモーメントを発生させたいときは制御信号を逆に送ればよい。つまり、弁１３２ｂ、１３１ａを開とし、１３２ａ、１３１ｂを閉とする制御信号を供給されば、逆のモーメントを発生することができる。
【０１７６】
図９は、大腿上部装着ベルト８０の概略構造の一例を示す図である。この図９は大腿上部装着ベルト８０の構造例であるが、他の装着ベルトも同様の構造で実現することができる。
【０１７７】
図９において、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂには張力検出器８３ａ、８３ｂ、８３ｃ、８３ｄが取り付けられ、その張力検出端にはそれぞれベルト８１ａ、８２ａ、８１ｂ、８２ｂが取り付けられている。
【０１７８】
ベルト８１ａと８２ａ、ベルト８１ｂと８２ｂは、それぞれ、締め金具８４によって長さを自由に変えて、互いに締め付け固定することができる。ベルト８１ａと８２ａ、ベルト８１ｂと８２ｂの内側には、人体保護のためのパッド８５が設置され、人体と動作支援装置とはこれらのパッド８５を通してのみ力を伝え合うようになっている。
【０１７９】
張力検出器８３ａ、８３ｂ、８３ｃ、８３ｄは、いずれも図９中の大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂの断面の長手方向に平行な張力と断面図の紙面に直交する方向の張力とを検出するようになっている。
【０１８０】
大腿上端にかかる力Ｅ_１（図３に示す）は、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂの断面の長手方向に平行な張力の差し引きで求める事ができる。また、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂに平行な力Ｈ_１は図９の紙面に直交する方向の力の総和として求められる。
【０１８１】
図１０は大腿支持ビーム３０ａの構造の一例を示す図である。他の支持ビームも、この大腿支持ビーム３０ａと同様の構造となっている。
【０１８２】
図１０において、外筒３１と内筒３２とは、アルミニウムあるいはマグネシウム等の軽金属、ないしは繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰ）等、あるいはそれらを組合せた複合材料でできた扁平管の形状をしており、重量に比べ曲げ強度を持たせてある。
【０１８３】
内筒３２は、外筒３１に抜き差しできるようになっており、外筒３１の内側には隔壁３４が形成され、内筒３２の内側には隔壁３５が形成されている。隔壁３４には調節ナット３９が取り付けてあり、外筒３１の外側から調節ナット３９を回せるように構成されている。
【０１８４】
調節ナット３９には支持軸３３の一方端側に形成されたねじ部分３８が挿入されている。そして、支持軸３３の他方端側にはストッパー３７ａ及び３７ｂが形成されており、ストッパー３７ａと隔壁３５との間にはばね３６ａが配置されている。
【０１８５】
また、ストッパー３７ｂと隔壁３５との間にはばね３６ｂが配置されている。支持軸３３は図示していないがキー溝等の方法で調節ナット３９を回しても一緒に回転しないようにしてあるものとする。
【０１８６】
このように大腿支持ビーム３０ａが構成されているため、大腿部の長さが違う人間が大腿支持ビーム３０ａを装着する際、調節ナット３９を回す事によって大腿支持ビーム３０ａの長さを調節する事ができる。
【０１８７】
また、ばね３６ａと３６ｂは、自由状態に対しあらかじめある程度縮めてあり、外筒３１と内筒３２の抜き差しに対し所定の抵抗を発生するようにしてある。
【０１８８】
これらのばね３６ａと３６ｂにより人体の姿勢が変わったときに大腿支持ビーム３０ａの若干の伸び縮みを許容することができる。
【０１８９】
望ましくは、ねじ等によりストッパー３７ａと３７ｂとの間隔も変えられるように構成すれば、外筒３１と内筒３２との抜き差し、すなわち大腿支持ビーム３０ａの伸び縮みに対する抵抗を変えることもできる。
【０１９０】
なお、各支持ビームの中には計測器からの信号を伝える電線やモーメント発生部にガスを送る配管も通してあり、抜き差しによって支持ビームの長さが変わっても許容できる余裕を持たせてあるものとする。
【０１９１】
図１１は足支持部７０の一例における構造外観図である。
図１１において、足を乗せる部分は足載せ板７２と、基盤７３と、接地板７４との３層構成となっており、それぞれの間には後述する荷重センサーが設置されている。
【０１９２】
また、基盤７４には足の両側に接続板７１が繋がっており、これら接続板７１は、踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂを介して、脛支持ビーム５０ａ、５０ｂに接続されている。また、基盤７４の足先に近い位置には足先装着ベルト１２０が接続されている。
【０１９３】
基盤７４と足先装着ベルト１２０との接続部には、図９に示した大腿上部装着ベルト８０と同様に、張力を検出する張力検出器７９ａ及び７９ｂが設置されている。
【０１９４】
足載せ板７２と基盤７３との間、基盤７３と接地板７４との間には、図１２に示すように荷重センサー７５ａ、７５ｂ、７６ａ、７６ｂが設置されている。これらの荷重センサー７５ａ、７５ｂ、７６ａ、７６ｂは、足載せ板７２と基盤７３との間、基盤７３と接地板７４との間で押し付ける力だけでなく、負の押し付け力すなわち張力やそれらの板に平行な剪断力も検出できる構造とする。
【０１９５】
足先装着ベルト１２０と荷重センサー７５ａの取り付け位置を一致させておくことにより足先の力Ｒ_１（図３に示す）は、張力検出器７９ａ及び７９ｂの張力検出値の和と荷重センサー７５ａの押し付け力計測値の差し引きで求めることができる。
【０１９６】
これにより、足先装着ベルト１２０を締め付ける力は相殺され、体重や荷重を支えている力Ｒ_１のみを求ねることができる。また、踵部にかかる力Ｒ_２（図３に示す）は、荷重センサー７５ｂの押し付け力により得られる。
【０１９７】
また、足の裏に平行な力Ｆ_２（図３に示す）は荷重センサー７５ａ、７５ｂの剪断力計測値の和により計算することができる。
【０１９８】
また、図２で定義した力Ｒ_１とＲ_２がかかる点の間の距離Ｌ_４は荷重センサー７５ａ、７５ｂのそれぞれの中心点の間の距離を使う。
【０１９９】
足が地面から離れているか否かは、荷重センサー７６ａの計測値とセンサー７６ｂの計測値との和がゼロかどうかで求めることができる。また、足が地面から離れているか否かのもう一つの方法としては、上記方法で求めたＲ_１とＲ_２との和がゼロか否かで判定する事もできる。
【０２００】
実際にはこれらの計測値には誤差があるため、判定にあたっては、あるゼロではない基準値を設定しておき、その値より小さいか否かで判定する。
【０２０１】
図１３は、歩行支援機構の動作制御フローチャートである。
図１３のステップＳ１において、各部の長さＬ_２、Ｌ_３、Ｌ_４および重量Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４、力軽減率ｆを設定する。各部の長さＬ_２、Ｌ_３、Ｌ_４については各支持ビームが長さ調節でき、且つ若干は伸び縮みできることから自動検出機能をつけて、長さ調節時、あるいは使用時に自動検出したビーム長さの寸法値を使っても良い。
【０２０２】
例えば、隔壁３４と３５との間の距離を検出することによって各部の長さＬ_２、Ｌ_３、Ｌ_４を検出するように構成することも可能である。
【０２０３】
次に、ステップＳ２において、各部のセンサーの読みから上述したような方法で、Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｈ_１、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｆ_２、θ_１、θ_２、θ_３、θ_４を計算する。
【０２０４】
次に、ステップＳ３において、Ｒ_１＋Ｒ_２があらかじめ設定した値よりも大きいか否かを判定し、大きければ足が地面についていると判定し、ステップＳ４に進む。
【０２０５】
そして、ステップＳ４において、上記式（２９）、（３０）、（３１）によりＦ_１、Ｇ_１、ｍ_１を計算する。
【０２０６】
次に、ステップＳ５において、Ｅ_１、Ｅ_３をゼロとして上記式（２０）、（２１）よりｍ_２、ｍ_３を計算し、ステップＳ６において、ｍ_２、ｍ_３に力軽減率ｆを掛けて目標モーメントｍ^＊ _２、ｍ^＊ _３を計算する。
【０２０７】
ステップＳ７において、上記ステップの計算結果を使って、Ｅ_１、Ｅ_３の制御目標Ｅ^＊ _１、Ｅ^＊ _３を計算し、ステップＳ８において、Ｅ_１、Ｅ_３が制御目標Ｅ^＊ _１、Ｅ^＊ _３になるようにモーメント発生装置４０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂを制御する。
そして、処理はステップＳ２に戻る。
【０２０８】
なお、一本の足の両側にあるモーメント発生部は基本的に同じモーメントを発生するのが望ましい。そのためにはガス圧で駆動する場合、対応するベローのガス圧を同じにするか、あるいは対応するベローどうしの間に連通する管を設け、圧力を同じにしておけばよい。これは次に述べる足をあげている場合でも共通である。
【０２０９】
一方、ステップＳ３において、Ｒ_１＋Ｒ_２があらかじめ設定した値よりも以下の値の場合には、ステップＳ９に進み、Ｒ_１、Ｅ_２、Ｅ_４をゼロとして上記式（２５）、（２８）、（３１）よりｍ_３、ｍ_２、ｍ_１を計算する。そして、ステップＳ１０において、ｍ_３、ｍ_２、ｍ_１に力軽減率ｆを掛けて目標モーメントｍ^＊ _３、ｍ^＊ _２、ｍ^＊ _１を算出する。
【０２１０】
次に、ステップＳ１１において、上記ステップで算出した結果を使って、上記式（３４）、（３５）、（３８）によりＲ_１、Ｅ_４、Ｅ_２の制御目標Ｒ^＊ _１、Ｅ^＊ _４、Ｅ^＊ _２を計算する。
【０２１１】
そして、ステップＳ１２において、Ｒ_１、Ｅ_４、Ｅ_２が制御目標Ｒ^＊ _１、Ｅ^＊ _４、Ｅ^＊ _２と一致するように、モーメント発生部２０、４０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂを制御する。そして、処理はステップＳ２に戻る。
【０２１２】
以上のように、本発明の一実施形態である動作支援装置によれば、人体の腰部に装着される腰支持ベルト１０に取り付けられ、人体腰部の両側面側に、それぞれ、配置される２つの腰部モーメント発生部２０と、人体の両脚部の膝の両側面側に配置される膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂと、腰部モーメント発生部２０と膝の外側に配置される膝部モーメント発生部４０ａとを接続する外側大腿支持ビーム３０ａと、この大腿支持ビーム３０ａを人体の大腿に固定する大腿上部下部支持ベルト８０及び９０と、これら大腿上部下部支持ベルト８０及び９０と膝の内側に配置される膝部モーメント発生部４０ｂとを接続する内側大腿支持ビーム３０ｂと、人体の両脚部の踝の両側面側に配置される踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂと、膝部モーメント発生部４０ａ及び４０ｂと踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂとを接続する脛支持ビーム５０ａ及び５０ｂと、これら脛支持ビーム５０ａ及び５０ｂを人体の脛部に固定する脛上装着ベルト１００及び足首装着ベルト１１０と、人体の足裏を支持する足支持部７０と、この足支持部７０と踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂとを接続する接続版７１と、足支持部７０と人体の足先とを接続する足先装着ベルト１２０と、腰部モーメント発生部２０、膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂ、踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂに発生する加速度、回転角度を検出するセンサと、足支持部７０に加わる荷重を検出するセンサと、これらの検出センサからの検出信号に基づいて、腰部モーメント発生部２０、膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂ、踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂの各部に一定の軽減率ｆで人体の動作を支援するために、それぞれ発生すべき、動作支援力を演算し、その動作支援のためのエネルギーを、上記各モーメント発生部に供給するエネルギー源兼制御ユニット３と、を備えている。
【０２１３】
つまり、エネルギー源兼制御ユニット３は、モーメント発生部２０、４０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂからの支援力が人体に加えられていないときに人体各部が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の軽減率ｆを掛けた支援力を上記モーメント発生部２０、４０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂに発生させる。
【０２１４】
したがって、人体に対する全荷重を概略所定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現することができる。
【０２１５】
なお、上述した例では制御目標を本発明による動作支援装置から体にかかる力にして説明したが、基本概念等で説明したようなモデルを動作支援装置に対して設定して、必要なモーメントを直接計算して制御してもかまわない。
【０２１６】
本発明による動作支援装置そのものも、図２あるいは図３に示すようなビームの集合体としてモデル化でき、ほとんど同じ式の導出によって解くことができる。
【０２１７】
また、上述した例においては、制御目標を計算する際、あらかじめ定めた一定の比率で人体が発生するモーメントを軽減することとしたが、この比率は常に一定である必要はなく、例えば、人体が負担すべき荷重の上限をあらかじめ定めておき、それを超えないよう目標のモーメントを定める事もできる。
【０２１８】
あるいは、本発明による動作支援装置からの力がないと仮定した場合に必要なモーメントが大きくなるほど軽減割合を小さくするような関数とする事もできる。
【０２１９】
また、本発明による動作支援装置の強度や動力が対応できない限界値をあらかじめ定めて置き、荷重が大きくなりすぎてそれらの限界を超えそうになったときは警報を出す機構や、動力源が残り少なくなったときにも警報を発生する機構をつけることもできる。
【０２２０】
さらに、動作支援装置の動力がなくなったときにすべての荷重を人体が引き受けた結果、人体が急激につぶれないように、動力がなくなったときにはガスの抜ける通路を絞り、ガスがゆっくりと抜けるような機構があれば人体が損傷を受けるのを防止できる。
【０２２１】
また、本発明の一実施形態では大腿部や脛部に沿ってビーム状の構造物を配置しており、各足の両側に１本ずつ配置するように構成したが、このようなビームに代えて、脚部や足の周囲を一部又は全部覆うような管状の構造としても差し支えない。
【０２２２】
この場合、大腿上部装着ベルト８０、大腿下部装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００、足首装着ベルト１１０、足先装着ベルト１２０等はそれら管内に納められ人体と本発明による動作支援装置との間で力を伝えるとともにそれらの力を計測する機能があればよく、必ずしもベルト状である必要はない。
【０２２３】
また、ビーム状の構造を使った場合でも脚部や足の周囲を何らかの殻ないしは皮膜、布等で覆っても良い。
【０２２４】
上述したような管状の構造物や殻、皮膜、布等で覆う場合、それらの内側の空気の温度を調節する機能を付加するように構成すれば、冷暖房を人体の周りのみに限定して行う事ができる。
【０２２５】
従来、個人用冷暖房としては懐炉等があったが、人体の周囲を覆って体の周囲の空気の温度を調節するものは実用化されていない。
【０２２６】
これは、人体の周りを覆う設備や、空気温度を調節する装置、温度調節された空気を循環する装置等の重量、容積が大きくなり、個人で持って歩く事ができないためであったが、本発明による動作支援装置によって、そうした重量を携行するための支援力を人体に付与することができれば、冷房装置等を個々人に対して設置可能となり、広い空間全体を冷暖房するのに比べて省エネルギーになるとともに、そうした冷暖房されていない環境でも快適に過ごせ、作業等も容易に行うことができる。
【０２２７】
また、圧縮、液化したガスボンベを動力源に使っている場合、ガスが気化、膨張する際の冷熱や、ガス圧を維持するための熱を上記冷暖房の熱源ないし冷熱源として使う事もでき、省エネルギーの観点からは利点が大きい。
【０２２８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、手や肩等の上半身で保持している荷物や、押したり引いたりしている物等によって発生する力を含めた、人体に対する全荷重を概略所定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現することができる。
【０２２９】
つまり、動作支援装置からの支援力が人体に加えられていないときに人体各部が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の軽減率ｆを掛けた支援力を動作支援装置に発生させるように構成した。
【０２３０】
したがって、人体の姿勢にかかわらず、また、上半身のどこでどういう荷重を支持しているかにかかわらず、下肢部の負担の大きい筋肉の負担を概略所定の割合で軽減できる動作支援装置を実現でき、人体の自然な動作を妨害することなく負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を示す概念図である。
【図２】人体の数学モデルを示す図である。
【図３】図２に示した数学モデルに加えられる力を定義する図である。
【図４】試算例における人体の姿勢を示す図である。
【図５】脚を大きく曲げた例の人体の姿勢を示す図である。
【図６】足を持ち上げたときの人体の姿勢を示す図である。
【図７】モーメント発生部の構造の一例を示す図である。
【図８】モーメント発生部の制御システムの構成例を示す図である。
【図９】装着ベルト構造の一例を示す図である。
【図１０】支持ビームの長さ調節機構の一例を示す図である。
【図１１】足支持部の外観構成図である。
【図１２】足支持部の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態である歩行支援機構の動作制御フローチャートである。
【符号の説明】
１ 人体
２ 動作支援装置
３ エネルギー源兼制御ユニット
４ 上半身支持機構
１０ 腰支持ベルト
１１ 軸受け
１２ 台座
１３ 軸
２０ 腰部モーメント発生部
２１ ガイドリング
２２ ガイドパネル
２３ 軸受け
２４、２６ バー
２５ 軸
２７ 溝
２８ａ、２８ｂ ベロー
３０ａ、３０ｂ 大腿支持ビーム
３１ 外筒
３２ 内筒
３３ 支持軸
３４、３５ 隔壁
３６ａ、３６ｂ ばね
３７ａ、３７ｂ ストッパー
３８ ねじ部分
３９ 調節ナット
４０ａ、４０ｂ 膝部モーメント発生部
５０ａ、５０ｂ 脛支持ビーム
６０ａ、６０ｂ 踝部モーメント発生部
７０ 足支持部
７２ 足載せ板
７３ 基盤
７４ 接地版
７１ 接続版
７５ａ、７５ｂ 荷重センサー
７６ａ、７６ｂ 荷重センサー
７９ａ、７９ｂ 張力検出器
８０ 大腿上部装着ベルト
８１ａ、８２ａ ベルト
８１ｂ、８２ｂ ベルト
８３ａ、８３ｂ 張力検出器
８３ｃ、８３ｄ 張力検出器
８４ 締め金具
８５ パッド
９０ 大腿下部装着ベルト
１００ 脛上部装着ベルト
１１０ 足首装着ベルト
１２０ 足先装着ベルト
１３１ａ、１３１ｂ 電動制御弁
１３２ａ、１３２ｂ 電動制御弁
１３３ａ、１３３ｂ 放出管
１３６ 加熱器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a motion support apparatus that mainly supports the motion of the extremities of a human body.
[0002]
[Prior art]
When people walk on hills and stairs, they need more strength than when walking on normal flat roads, etc., and those who have weakness due to aging or disease may find it difficult to walk on their own. is there.
[0003]
Also, walking on a hill or the like is particularly difficult when carrying a load or other human body to be cared for in addition to its own weight.
[0004]
Even if you are not elderly or sick, it is convenient for daily life and work if you can carry heavy objects that are impossible for one person, can do powerful work, or can walk faster than usual. It is.
[0005]
Furthermore, with such operation support, people can go more easily to places that cannot be reached by ordinary vehicles, such as mountain roads and indoors, and disaster relief can be performed more quickly or leisure etc. I can enjoy it.
[0006]
As a prior art of the movement support device, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-145638 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-285984, for example, as a mechanical device that mainly supports the movement of an arm among human limbs. In some cases, the force generated by the human body is detected and a force proportional to the force is applied to the object.
[0007]
Further, like the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-277473, there has been proposed a support device for compensating for the trembling of the arm due to aging, illness, etc. and writing clean characters.
[0008]
As for the support of lower limb movement, as described in JP-A-7-112535, the weight of the human body is connected to the exoskeleton by a beam-like structure that is attached to the human body and forms the exoskeleton. A technology for supporting at least a part of a load other than the weight and assisting walking is disclosed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above prior art, it is not considered that a difference is generated in the force generated by the muscles of each part of the human body due to the difference in posture when a person bends and lifts an object or climbs stairs.
[0010]
In addition, the force to be assisted by the muscles of each part of the human body is reduced at a predetermined rate according to the load applied when holding a baggage or pushing or pulling an object by hand. The method is not considered.
[0011]
That is, in the prior art, the acceleration of the support device is controlled based on a certain principle with respect to the force applied by the human body to the load measuring device of the motion support device. In order to measure such force, it is necessary to apply a load to the load measuring device of the motion support device with the foot. The force will be applied in the direction that hinders trying to get out.
[0012]
This hinders the movement of the legs.
[0013]
If a forward force is applied to the load measuring device of the support device trying to move the foot forward, if the foot part of the support device moves forward and pushes the human foot from behind, Become. However, at that time, there is a possibility that the load measuring device of the support device may be applied with a backward load by the pushed foot, and it is controlled so as to reduce the force to assist to lift the foot forward. If not done properly, the operation may become unstable.
[0014]
Further, in such a control method, the relative relationship between the forces of the respective parts generated by the human body and the forces of the respective parts generated by the support of the support device cannot be guaranteed. In other words, the balance of the power of each part where the human body is generated is not taken into consideration, and there is a possibility that it becomes an unnatural support force for a person.
[0015]
In order for the human body to naturally move with the motion support device, for example, when there is no motion support device, the force (muscle strength) generated by each part of the human body with respect to the load to be borne by the human body is one half of that. It is desirable that the force generated by the human body is reduced at a substantially constant rate, such as 80%, so that a predetermined operation can be performed.
[0016]
The purpose of the present invention is to support the human body with the total load on the human body at a roughly predetermined ratio, including the force generated by the load held by the upper body such as the hand and shoulders, the object being pushed and pulled, etc. It is to realize an operation support device that can be burdened with the device, reduce the load on the human body, and perform natural operations.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
(1) In a motion support device that generates a force that supports the motion of the human body, a thigh support member disposed along the thigh of the human body and a shin support member disposed along the shin of the human body A foot support member disposed along the human foot; and disposed near the knee of the human body; connected to the thigh support member and the shin support member; and the thigh support member and the shin support A knee moment generating portion that generates mutual bending moments with the member, and is disposed near the heel of the human body, connected to the shin support member and the foot support member, and the shin support member and the foot support member The force generated on the thigh support member, shin support member, and foot support member by the heel moment generation portion that generates the bending moment of the body, the knee moment generation portion, and the heel moment generation portion Force transmitting means for transmitting to the thigh A force sensor for detecting a force generated between the holding member, the shin support member and the foot support member and the lower limb of the human body, the longitudinal direction of the thigh support member, the shin support member and the foot support member, and gravity An angle sensor for detecting an angle formed by the direction of acceleration applied to the human body, and the thigh support member, the shin support member, and the human body motion based on detection signals from the force sensor and the angle sensor. Calculate the force that the human body should generate when there is no support force from the foot support member support member, calculate the support force by multiplying the calculated force by a certain ratio, and generate the calculated support force A knee moment generator and a power source and controller for supplying power to the heel moment generator.
[0018]
(2) Preferably, in the above (1), the thigh support member, the shin support member, and the foot support member each have dimension changing means for changing the length dimension. Support device.
[0019]
(3) Preferably, in the above (1), each of the thigh support member, the shin support member, and the foot support member has a length measuring unit that measures a dimension in the length direction. Based on the dimension measured by the length measuring means, the power source / control unit supplies power to the knee moment generation unit and the heel moment generation unit so as to generate the calculated support force.
[0020]
(4) Preferably, in (1), (2) or (3), the weight of at least one of the thigh, the shin, and the foot is set, and the power is determined based on the set weight. The source / control unit supplies power to the knee moment generation unit and the heel moment generation unit so as to generate the calculated support force.
[0021]
(5) Preferably, in the above (1), the force transmission means includes a first fixing member that fixes the thigh support member to the upper and lower thighs of the human body, and the shin support member. It has the 2nd fixing member fixed to the shin upper and lower part of a human body, and the 3rd fixing member which fixes the said foot | leg support member to the leg | foot of a human body.
[0022]
(6) Preferably, in the above (1), (2), (3), (4) or (5), the power source / control unit generates a gas having a pressure higher than atmospheric pressure. And supplying the pressure generated from the power source to the knee moment generator and the heel moment generator, thereby supplying power to the knee moment generator and the heel moment generator.
[0023]
(7) Preferably, in (6) above, the power source stores compressed gas or compressed and liquefied gas, and the power source / control section heats the gas from the power source. It has further.
[0024]
(8) Preferably, the apparatus further includes cooling means for cooling the human body by using an endothermic action when the compressed gas or the liquefied gas is expanded, vaporized, or expanded in (7).
[0025]
(9) Preferably, in the above (7), the apparatus further includes heating means for heating the human body using heat from the means for heating the compressed gas or the liquefied gas.
[0026]
  (10) In a motion support device that generates a force that supports the motion of a human body, a waist support belt that is attached to the waist of the human body and two waist moment generations that are respectively disposed on both side surfaces of the waist support belt An upper thigh support beam for fixing the outer thigh support beam to a human thigh, and an outer thigh support beam that connects the waist part, a knee moment generator, a waist moment generator, and a knee moment generator. An inner thigh support beam that connects the upper thigh lower support belt and a knee moment generator disposed on the inner side of the knee, a buttock moment generator, the knee moment generator and the buttock moment generator, A shin support beam for connecting the shin support belt, an shin attachment belt and an ankle attachment belt for fixing the shin support beam to the shin portion of the human body, a foot support portion, the foot support portion and the buttock mode A connecting plate for connecting the cement generator, to generate a foot support and foot fitting belt for securing the body of the foot, hip moment generating portion, the knee moment generating portion and the ankle portion moment generatorRukaA first sensor for detecting a speed and a rotation angle; a second sensor for detecting a load applied to a foot support; and a waist moment generator, a knee based on detection signals from the first and second sensors. In order to support the movement of the human body at a certain reduction rate in each part of the head moment generation part and the buttocks moment generation part, the motion support force to be generated is calculated, and the energy for the motion support is calculated as above. An energy source and control unit for supplying to the moment generator.
[0027]
The power source / control unit (energy source / control unit) calculates the force that each part of the human body should generate when the support force from the moment generator is not applied to the human body, and gives a constant reduction rate to the calculated force. The applied support force is generated at the moment generator.
[0028]
Therefore, the human body and the support device can bear the total load on the human body at a roughly predetermined ratio, thereby reducing the load on the human body and realizing an operation support device capable of natural operation.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
First, the basic concept of the present invention will be described.
[0030]
1. Basic concept
FIG. 1 is a schematic external view of an operation support apparatus according to the present invention.
From the viewpoint of movement, the human body is an aggregate of beams (bones) connected by joints, and can be regarded as changing the angle between the beams and the twist angle of the beams by the muscles.
[0031]
The motion support device according to the present invention connects the beams along the extremities so as to be bent with each other at the positions of the joints of the human body, and generates a moment of force between the beams by the driving mechanism. . Each beam is attached to the human body, and the force generated by the moment of force is transmitted to the limbs.
[0032]
It is assumed that the force between the human body and the motion support device is measured, thereby controlling each moment.
[0033]
The human limbs have a great degree of freedom, and if all of them are designed to support the bending direction of the beam and support it by power, the motion support device becomes very complicated and the weight is excessive. There is a possibility.
[0034]
Therefore, at first, only the degree of freedom related to the operation that places a burden on the muscular strength will be supported, and a number of degrees of freedom will be dealt with as the technology advances thereafter.
[0035]
Table 1 shows the major degrees of freedom of the body, excluding the upper part of the human body and the fingers of the limbs, based on the waist.
[0036]
[Table 1]

[0037]
Of the degrees of freedom shown in Table 1, it is the first degree of freedom listed for each part that seems to be particularly burdensome on muscle strength.
[0038]
Therefore, first of all, the operation related to the degree of freedom that imposes a burden on the muscular strength is supported by the power of the apparatus, and the other degrees of freedom are allowed as the degree of freedom of the support apparatus, but are not supported by the power. .
[0039]
2. Modeling and derivation of basic equations
FIG. 2 is a diagram showing a mathematical model of the human body. In FIG. 2, the lower body is represented by beams 2a, 3a and 4a.
[0040]
The beam 2a is a thigh, the beam 3a is a shin, and the beam 4a is a foot that is a heel-to-toe portion. The angle from the acceleration direction of each beam as shown in FIG.₂θ₃, Θ₄It is defined as
[0041]
Here, the term “acceleration” refers to the direction of force that is the sum of gravity acceleration and inertial force due to other acceleration. For example, when a person is riding on a vehicle facing forward in the direction of travel and the vehicle is accelerating, the human body is subject to a backward inertial force. Defined as direction.
[0042]
The force on the upper body and the lower body due to the weight of the upper body and the interaction with luggage and objects is the acceleration direction force G₁And horizontal force F₁And bending moment m₁And can be expressed as
[0043]
In addition, there is a possibility that a force is applied to the human body from the upper body portion of the support device according to the present invention or a portion where the support device is worn on the waist.₁, Force F₁, Moment m₁Represents only the force that must be borne by the legs and below, minus them.
[0044]
On the other hand, it is assumed that the weights of the beams 2a and 3a are concentrated at an intermediate position in the length direction. The force applied to the foot is distributed on the sole of the foot when the weight is supported, but the translational force integrated with the force and the equivalent force R₁And R₂Let me represent it.
[0045]
On the other hand, when the foot is lifted, the foot takes the weight of the part that supports the foot of the shoe or the support device.₁And R₂And can be expressed by making it negative.
[0046]
It is assumed that a force perpendicular to the beam is applied to each beam as shown in FIG. Actually, the force from the support device should be at a position slightly away from the end of the lower limb, but here the purpose is to examine the principle of estimating the force generated by the human body from the outside. Therefore, the force from the support device is treated as being applied to the end of the beam.
[0047]
There is no change in the number of equations and the number of unknowns by this, and even when the position where the force is applied is handled accurately, the following expression can be derived. Further, assuming the force to support the waist at the end of the beam 2a, the force H in the beam direction₁It is also assumed that Here, the force applied to the body is expressed in lower case letters as shown in FIG.
[0048]
Considering the balance of the force of each beam, the following equations (1) to (15) hold.
[0049]
m₁+ m₂ = G₁L₂sinθ₂+ F₁L₂cosθ₂+ (1/2) G₂L₂sinθ₂-E₁L₂   --- (1)
m₁+ m₂ = r₂L₂sinθ₂+ f₂L₂cosθ₂-(1/2) G₂L₂sinθ₂-E₂L₂   --- (2)
r₂ = G₁+ G₂-E₁sinθ₂+ E₂sinθ₂-H₁cosθ₂   --- (3)
F₁-E₁cosθ₂+ H₁sinθ₂ = f₂-E₂cosθ₂   --- (4)
m₂-m_Three = r₂L_Threesinθ_Three-f₂L_Threecosθ_Three+ (1/2) G_ThreeL_Threesinθ_Three+ E_ThreeL_Three   --- (5)
m₂-m_Three = r₂L_Threesinθ_Three-f_ThreeL_Threecosθ_Three+ (1/2) G_ThreeL_Threesinθ_Three+ E_FourL_Three   --- (6)
r₂ = r_Three-G_Three-E_Threesinθ_Three+ E_Foursinθ_Three   --- (7)
f₂-E_Threecosθ_Three = f_Three-E_Fourcosθ_Three   --- (8)
-m_Three = R₁L_Four-(1/2) G_FourL_Fourcosθ_Four   --- (9)
(R₁ + R₂) cosθ_Four+ F₂sinθ_Four = r_Three+ G_Four   --- (10)
f_Three =-(R₁ + R₂) sinθ_Four+ F₂cosθ_Four   --- (11)
Taking the difference between both sides of equations (1) and (2),
(G₁-r₂) L₂sinθ₂+ (F₁-f₂) L₂cosθ₂+ G₂L₂sinθ₂-(E₁-E₂) L₂ = 0 --- (12)
From equation (3),
G₁-r₂ = -G₂+ (E₁-E₂) sinθ₂+ H₁cosθ₂   --- (13)
From equation (4)
F₁-f₂ = (E₁-E₂) cosθ₂-H₁sinθ₂   --- (14)
Substituting equations (13) and (14) into equation (12),
{-G₂+ (E₁-E₂) sinθ₂} L₂sinθ₂+ (E₁-E₂) L₂cos²θ₂+ G₂L₂sinθ₂-(E₁-E₂) L₂ = 0
--- (15)
And is automatically established.
[0050]
That is, one of the above formulas (1) to (4) is not independent. Similarly, one of the above formulas (5) to (8) is not independent.
[0051]
Therefore, the number of independent equations is seven of the formulas (9) to (15), one of (1) to (4), and one of (5) to (8). , A total of nine.
[0052]
The variable is the force applied to the lower limb from outside G₁, G₂, G₃, G₄, F₁, F₂, R₁, R₂, M₁N, the power from the support device E₁, E₂, E₃, E₄, H₁, The force and moment that the lower limbs are generating by themselves m₂, M₃, F₂, F₃, R₂, R₃The total number of 6 is 20.
[0053]
Of these, G₁, F₁, M₁The three change depending on the posture of the upper body, the weight of the baggage, and the force generated by the arm.
[0054]
Also, for example, when walking, one foot is alternately lifted, and the weight and acceleration of the upper body are all applied to the foot on the ground, while the force of the upper body is not applied to the other foot.
[0055]
The moment m of the lifting leg₁, M₂, M₃Will only support the force of their weight and acceleration.
[0056]
As such, these variables change constantly and cannot be predicted or measured directly.
[0057]
M₂, M₃, F₂, F₃, R₂, R₃Is a force generated in the body and cannot be measured by a normal method.
[0058]
On the other hand, G₂, G₃, G₄Is an amount that does not change much, and an approximate value is known in advance. F₂, R₁, R₂These three can be measured by some measurement method.
[0059]
On the other hand, the force from the motion support device can be measured.
Furthermore, the angle θ from the vertical direction of each beam (or the acceleration direction that combines gravity and other accelerations)₂, Θ₃, Θ₄Can be measured by attaching a measuring device to the support device.
[0060]
Therefore, nine unknown variables can be obtained by using these measured values and previously known variables and the above nine independent equations.
The method for obtaining the variable will be described below.
[0061]
3. solution
(A) When feet are on the ground
[1] Simulation of phenomenon (F₁, G₁, M₁Is known)
From the above equation (3), r₂Is obtained.
[0062]
Then, the following equation (16) is obtained from the above equation (4).
f₂ = F₁-(E₁-E₂) Cosθ₂+ H₁sinθ₂   --- (16)
Next, when substituting equation (3) into equation (7) above, r₃Can be calculated.
[0063]
r_Three = G₁+ G₂-(E₁ -E₂) Sinθ₂-H₁cosθ₂ + G_Three+ (E_Three -E_Four) Sinθ_Three  --- (17)
Then, the following equation (18) is obtained by substituting the equation (16) into the above equation (8).
[0064]
f_Three = F₁-(E₁-E₂) Cosθ₂+ H₁sinθ₂ -(E_Three-E_Four) Cosθ_Three  --- (18)
In equation (10), sin θ₄Is multiplied by cos θ₄When subtracting both sides by multiplying, the following equation (19) is obtained.
[0065]
F₂ = (r_Three + G_Four) sinθ_Four+ f_Threecosθ_Four   --- (19)
From the above formula (1), m₂Is given by the following equation (20).
[0066]
m₂ = G₁L₂sinθ₂+ F₁L₂cosθ₂+ (1/2) G₂L₂sinθ₂-E₁L₂ -m₁   --- (20)
M₃Becomes the following equation (21) from equation (5).
[0067]
m_Three = -r₂L_Threesinθ_Three+ f₂L_Threecosθ_Three-(1/2) G_ThreeL_Threesinθ_Three-E_ThreeL_Three + m₂   --- (21)
Further, the following equation (22) can be obtained from the above equation (9).
[0068]
R₁ =-(m_Three/ L_Four) + (1/2) G_Fourcosθ_Four   --- (22)
In addition, cos θ₄Is multiplied by sinθ₄Is added to both sides, and substituting equation (22) yields the following equation (23).
[0069]
R₂ = r_Three cosθ_Four -f_Threesinθ_Four + (m_Three/ L_Four) + (1/2) G_Fourcosθ_Four   --- (23)
[2] G from measured value₁, F₁, M₁How to ask
First, f from the above equation (11)₃Ask for.
[0070]
From the above equation (10), r₃The following equation (24) is obtained.
[0071]
r_Three = (R₁ + R₂) cosθ_Four + F₂sinθ_Four -G_Four   --- (24)
Next, from equation (9), m₃The following equation (25) is obtained.
[0072]
m_Three = -R₁L_Four+ (1/2) G_FourL_Fourcosθ_Four   --- (25)
Substituting equation (11) into equation (8) gives the following equation (26).
[0073]
f₂ =-(R₁ + R₂) sinθ_Four+ F₂cosθ_Four + (E_Three-E_Four) cosθ_Three    --- (26)
Further, when Expression (10) is substituted into Expression (7), the following Expression (27) is obtained.
[0074]
r₂ = (R₁ + R₂) cosθ_Four+ F₂sinθ_Four -G_Three-(E_Three-E_Four) sinθ_Three-G_Four   --- (27)
Substituting Equations (9), (26), and (27) into Equation (5) gives Equation (28) below.
[0075]
m₂ = -R₁L_Four+ (1/2) G_FourL_Fourcosθ_Four+ (R₁ + R₂) L_Threesin (θ_Four+ θ_Three) -F₂L_Threecos (θ_Four+ θ_Three) + E_FourL_Three-(1/2) G_ThreeL_Threesinθ_Three-G_FourL_Threesinθ_Three   --- (28)
Further, the following equation (29) is obtained by substituting the equation (26) into the above equation (4).
[0076]
F₁ =-(R₁ + R₂) sinθ_Four+ F₂cosθ_Four + (E_Three-E_Four) cosθ_Three + (E₁-E₂) cosθ₂-H₁sinθ₂    --- (29)
Then, the following equation (30) is obtained by substituting the equation (27) into the equation (3).
[0077]
r₂ = (R₁ + R₂) cosθ_Four+ F₂sinθ_Four -G_Three-(E_Three-E_Four) sinθ_Three-G_Four   --- (30)
Moreover, following Formula (31) is obtained from Formula (1).
[0078]
m₁ = -m₂+ G₁L₂sinθ₂+ F₁L₂cosθ₂+ (1/2) G₂L₂sinθ₂-E₁L₂   --- (31)
Measured R₁, R₂, F₂Force F from upper body to lower limb₁, G₁And moment m₁Can be calculated by the above equations (28) to (31).
[0079]
[3] Calculation of required external force
Since only the moments of the knee joint and the ankle joint of the support device can be actually controlled, the degree of freedom of control is 2. Since it is the knees and ankles of the human body that are burdened when the weight is applied to the soles of the feet, here, first, the moment m generated by the knees^* ₂, Ankle moment m₃Each with a predetermined value m^* ₂, M^* ₃Consider the conditions to make.
[0080]
E to relieve knee and ankle strength₂And E₄Does not affect the variable to be controlled.₁And E₃It becomes only.
[0081]
The following equation (32) is obtained from the above equation (1).
[0082]
E^* ₁= (G₁L₂sinθ₂+ F₁L₂cosθ₂+ (1/2) G₂L₂sinθ₂-m₁+ m^* ₂) / L₂   --- (32)
Further, when the above equations (3) and (4) are substituted into the above equation (5), the following equation (33) is obtained.
[0083]
E^* _Three =-{G₁+ G₂+ (1/2) G_Three} sinθ_Three-(E₁-E₂) cos (θ₂+ θ_Three) + H₁sin (θ₂+ θ_Three) + F₁cosθ_Three+ {(m^* ₂-m^* _Three) / L_Three} --- (33)
(B) When your feet are off the ground
By measuring the force between the foot part of the support device and the ground, if this is zero, it can be seen that the foot is away from the ground.
[0084]
In this case, G₁And m₁Is not determined by the condition of the upper body, but by the state and movement of the lower limbs. R₁Is the measured amount and the moment m applied to the ankle₃It becomes a control target amount for reducing. Furthermore, moment m₁Also external force E₂This is the control target to be reduced.
[0085]
[4] Simulation of phenomenon (when external force is known)
f₃, R₃, M₃Are obtained by the above equations (11), (24), and (25), respectively.
[0086]
F₂, R₂, M₂Are obtained by the above equations (26), (27), and (28), respectively.
[0087]
F₁, G₁, M₁Are obtained by the above equations (29), (30), and (31), respectively.
[0088]
[5] Method for obtaining necessary external force
From the above equation (9), the following equation (34) is obtained.
[0089]
R^* ₁ = (1/2) G_Fourcosθ_Four-(m^* _Three/ L_Four) --- (34)
Further, when the above equations (11) and (24) are substituted into the above equation (6), the following equation (35) is obtained.
[0090]
E^* _Four =-{(m^* _Three-m^* ₂) / L_Three}-(R₁+ R₂) sin (θ_Three+ θ_Four) + F₂cos (θ_Three+ θ_Four) + {G_Four+ (1/2) G_Three} sinθ_Three    --- (35)
Further, when the formulas (11) and (24) are substituted into the formulas (7) and (8), the following formulas (36) and (37) are obtained.
[0091]
f₂ =-(R₁+ R₂) sinθ_Four+ F₂cosθ_Four+ (E_Three-E_Four) sinθ_Three   --- (36)
r₂ = (R₁+ R₂) cosθ_Four+ F₂sinθ_Four-G_Four-G_Three-(E_Three-E_Four) sinθ_Three   --- (37)
Further, when the formulas (36) and (37) are substituted into the formula (2), the following formula (38) is obtained.
[0092]
E^* ₂ = (R₁+ R₂) sin (θ₂-θ_Four) + F₂cos (θ₂-θ_Four) + (E_Three-E_Four) cos (θ₂+ θ_Three)-{(m^* ₁+ m^* ₂) / L₂}-{G_Four+ G_Three+ (1/2) G₂} sinθ₂   --- (38)
4). Estimated results
Hereinafter, trial calculation is performed using the above formulas (1) to (38), and the characteristics of the operation support apparatus according to the present invention are examined. Table 2 shows the conditions for the trial calculation.
[0093]
[Table 2]

[0094]
Of Table 2 above, L₁Is simply the moment m₁It is only an amount for calculating, and does not represent the actual length of the upper body.
[0095]
In the following example, the case where the force generated by the human body by the support device is reduced to half of the required value will be described. However, whether the force is reduced to 1/10 of the required value or 80%, m^* ₁, M^* ₂, M^* ₃Can be obtained in the same manner by the method described later.
[0096]
(1) When there is no external force
Upper body weight (G₁) Is 50 kg and its weight is on one leg, and Table 3 shows an example of trial calculation in the absence of external force. FIG. 4 is a diagram showing the posture of the entire body at that time.
[0097]
[Table 3]

[0098]
As shown in FIG. 4, the knee is not bent so much, and the upper body is slightly bent. The state shown in FIG. 4 is a state in which the user is standing up while standing or standing up.
[0099]
The “actual” column in Table 3 shows the forces and moments of the respective parts determined by the method described above.
[0100]
Front side of sole (R₁) 36kg, rear side (R₂) Has a force of 25 kg. The moment values supported by the upper end of the foot, knee, and ankle at this time are m₁, M₂, M₃It is shown in the column.
[0101]
On the other hand, in the column of “Observation” in Table 3, the measured value E₁~ F₂F obtained by the method [2] of (A) above₁, G₁, M₁Is shown. Needless to say, these values are consistent with “actual” values.
[0102]
In the column “No external force”, F obtained by “Observation”₁, G₁, M₁Applied, external force E₁~ H₁The moment that the knee and ankle should generate when there is no is shown.
[0103]
In the “Control” column, the external force E required to halve the knee and ankle moments compared to “no external force”.₁~ H₁The results obtained by the method described above are shown.
[0104]
Of course, when the force is evenly applied to both feet, both feet generate half of these forces or moments.
[0105]
(2) When external force is applied
Next, Table 4 shows the results when the external force obtained in the “control” is applied.
[0106]
[Table 4]

[0107]
As shown in Table 4, knee and ankle moment m₂, M₃Is certainly half the original. Also, the force R on the sole of the foot₁, R₂, F₂Changes under the influence of external forces.
[0108]
In particular, R₁Decreases and R₂It can be seen that there is a large increase in the heel, and that the heel is under pressure. Force E to lift the waist diagonally upward₁Is a positive value, force E to push the knee diagonally downward₃Is negative, and there is a force to lift the hips and knees diagonally upward.
[0109]
As a result, the moment applied to the knee and ankle is reduced.
[0110]
However, the “observation” column F calculated from these measurements₁, G₁, M₁The values of are the correct values as they are, and the calculated values of “no external force” and “control” calculated based on them are not changed.
[0111]
Thus, it can be seen that even when an external force is applied, the necessary external force can be calculated by estimating the force generated by the human body from the measured value.
[0112]
(3) Effect of error
In Table 4, E₂, E₄, H₁Is zero, but in reality the external force E₁, E₃When generating E₂, E₄, H₁Some kind of power is generated. However, these forces differ depending on the mutual relationship between the support device and the human body and the state of the human body. Each measured value and set value should include an error.
[0113]
Therefore, Table 5 shows an example when these are taken into consideration.
[0114]
[Table 5]

[0115]
In Table 5, E₂, E₄, H₁It is assumed that 1 kgf is generated in each of the above. G₂, G₃, G₄As for the set values, the correct values are 5 kgf, 5 kgf, and 1 kgf, respectively, while the set values are 7 kgf, 4 kgf, and 1.5 kgf.₁, R₂, F₂Is measured as 10% smaller than the actual value.
[0116]
As a result, compared to the case without error shown in Table 3, m₂, M₃Although the absolute values of -7 have changed by -7% and 6.1%, respectively, they are still nearly half that of the case without external force.
[0117]
(4) When there is an error in control
In addition to the error shown in (3), the external force E obtained by “control”₁, E₃Table 6 shows an example in the case where there is an error in the measured value when generating the error and the actually generated force is 10% smaller than the required value.
[0118]
[Table 6]

[0119]
In the case of the example shown in Table 6, compared to the case of no error shown in Table 4, m₂, M₃The absolute values of are increased by -0.7% and 10.8%, respectively.
[0120]
However, it has a sufficient function in terms of reducing the force generated by muscles as a support device.
[0121]
(5) When posture changes
Table 7 shows an example in the case where the knee is further bent, that is, an example in a posture as shown in FIG.
[0122]
[Table 7]

[0123]
The posture shown in FIG. 5 is, for example, a posture corresponding to the foot that is about to extend when going up the stairs.
[0124]
The example shown in Table 7 shows the moment m compared to the case of Table 5.₂Can be seen to be much larger and put a heavy burden on the knee. However, it is much relaxed compared to the case where there is no external force by the support device. However, the external force E required for that purpose₁, E₂Is much bigger.
[0125]
The maximum value of the force that should be applied to the body from the support device may be assumed to be such that the knee is bent greatly and the maximum allowable weight is held.
[0126]
(6) When the legs are raised
FIG. 6 is a view showing the posture when the foot is raised, and Table 8 shows each value when the foot is raised.
[0127]
[Table 8]

[0128]
In Table 8, moment m of waist, knee and ankle₁, M₂, M₃To reduce the external force E₂, E₄, R₁Is used.
[0129]
E₂The direction of lowering the knee is positive, but here it is negative because it requires a force to lift the knee to reduce muscle strength.
[0130]
Moment m generated by human body₁, M₂, M₃Is halved compared to the case where there is no power from the support device, and it can be seen that there is an effect of support from the device.
[0131]
(7) When walking
When a person is moving forward, it is when acceleration is generated forward, and a backward force is applied to each part of the body. Table 9 shows the calculation results in such a case.
[0132]
[Table 9]

[0133]
The values shown in Table 9 are the same as those shown in FIG. 4 except that the acceleration of 10% of gravity (0.1 G) is applied to the upper body weight of 50 kg, and F₁This is an example of calculation assuming that a force of 5 kgf is generated. Errors in measurement and control, and errors in the weight setting values for each part of the lower limb were the same as in Table 6.
[0134]
Force E perpendicular to the thigh on the waist from the support device₁However, compared with 1.2 kgf in Table 6, the control instruction value is 8 kgf, and the actual value including the error is 7.2 kgf. As can be seen from the posture of FIG.₁Some of them are for supporting weight, but most of them act forward, pushing the body in the acceleration direction and supporting forward acceleration.
[0135]
On the other hand, the force E applied to the knee₃Hasn't changed much, and is largely a force to support weight. This is because the force for the forward acceleration is directly applied from the support device to the waist receiving the weight of the upper body directly.
[0136]
Moment m in the direction of opening the angle between the shin and thigh as a result of applying a backward force to the body₂Increases significantly compared to the case shown in Table 6, while the moment m in the direction of narrowing the angle between the foot and the shin₃Is a large negative value but the absolute value is decreasing.
[0137]
Moment m to open the angle between upper body and thigh₁However, it has decreased to less than half due to the influence of backward force. M in Table 9₁The observed value and the value in the no external force column are considerably smaller than the actual values of, because of various measurement, control, and setting errors that have been set.
[0138]
Table 10 shows the case where all of these errors are eliminated, but the values in the columns of actual, observation, no external force, and control are the same.
[0139]
[Table 10]

[0140]
As described above, even when a person is walking, the necessary force from the support device can be calculated by the above-described method, and thereby the force generated by the human body can be almost halved.
[0141]
Hereinafter, an operation support apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.
[0142]
In FIG. 1, a motion support device 2 attached to a human body 1 includes a waist support belt 10, an energy source (power source) / control unit 3, an upper body support mechanism 4, and a walking support mechanism.
[0143]
The walking assist mechanism includes a lumbar moment generator 20, thigh support beams 30a and 30b, knee moment generators 40a and 40b, and shin support beams 50a and 50b.
[0144]
Further, the walking support mechanism includes the buttocks moment generating sections 60a and 60b, the foot support section 70, the upper thigh mounting belt 80, the lower thigh mounting belt 90, the shin upper mounting belt 100, the ankle mounting belt 110, and the toe mounting belt 120. Prepare.
[0145]
Of the components provided in the walking support mechanism, the left and right feet are assumed to be equipped symmetrically.
[0146]
The waist moment generator 20 connects the waist support belt 10 and the thigh support beams 30a and 30b, supports the weight of the upper body when the foot is on the ground, and lifts the foot when the foot is raised. Generate moments.
[0147]
Further, the connection portion between the waist support belt 10 and the thigh support beams 30a and 30b is freely bent in the direction of opening and closing the legs and legs.
[0148]
The knee moment generators 40a and 40b connect the thigh support beams 30a and 30b and the shin support beams 50a and 50b, and bend and extend the knee, thereby raising and lowering the thigh, waist, and upper body. Generates moments that support muscle strength.
[0149]
In addition, the buttocks moment generating sections 60a and 60b connect the shin support beams 50a and 50b and the foot support section 70, and bend and extend the ankle, or when the foot is on the ground, a moment that supports the muscular strength for lifting the knee. appear.
[0150]
The thigh support beams 30a and 30b, the shin support beams 50a and 50b, and the foot support portion 70 are respectively formed by the angle between the direction of acceleration including the gravitational acceleration and the direction of the beams or plates, that is, FIG. Θ₂, Θ₃, Θ₄It has a sensor to detect.
[0151]
The foot support unit 70 includes a sensor that supports the foot and measures a force applied to the foot support unit 70 from the foot and a moment thereof.
[0152]
In other words, the foot support portion 70 has a force R applied to the foot shown in FIG.₁, R₂, F₂The sensor which measures the quantity which can be calculated | required by calculation or the quantity equivalent to these.
[0153]
The foot support unit 70 also includes a sensor that measures the force and moment between the ground and the foot support unit 70.
[0154]
Thereby, it is possible not only to determine whether or not the foot is on the ground, but also to measure the weight of the support device itself and the resulting moment.
[0155]
Further, the upper thigh mounting belt 80, the lower thigh mounting belt 90, the shin upper mounting belt 100, the ankle mounting belt 110, and the toe mounting belt 120 respectively connect a portion near the end of each beam and the human body. Between the beam and the beam and those forces, ie, the force H shown in FIG.₁, E₁, E₂, E₃, E₄(H₁Is the force acting horizontally with the beam, E₁, E₂, E₃, E₄Has a sensor that measures the force acting in the direction perpendicular to the beam.
[0156]
The force transmitted to the upper thigh mounting belt 80 relaxes the moment generated by the knee muscles by lifting the waist, but the same moment can be generated with a smaller force as the position is further away from the knee.
[0157]
As the force between the human body and the motion support device according to the present invention is as small as possible, it does not place a burden on the local area of the human body. Therefore, the upper thigh mounting belt 80 is structured and dimensioned so that it can be installed at the upper end of the thigh. desirable.
[0158]
Similarly, it is desirable that both the lower thigh mounting belt 90 and the upper shin mounting belt 100 can be mounted as close to the knee as possible. Further, it is desirable that the ankle attachment belt 110 can be attached at a position close to the ankle.
[0159]
The energy source and control unit 3 is measured by the walking support mechanism θ₂, Θ₃, Θ₄, R₁, R₂, F₂, H₁, E₁, E₂, E₃, E₄And set value G₂, G₃, G₄Power E required to reduce the burden on the human body₁, E₂, E₃, E₄Is calculated, and the motion control of the knee moment generators 40a and 40b and the buttocks moment generators 60a and 60b is performed.
[0160]
An example of the structure of the moment generator is shown in FIG. The example shown in FIG. 7 relates to the lumbar moment generator 20 attached to the lumbar support belt 10, but the other knee moment generators 40a and 40b and the buttocks moment generators 60a and 60b have the same structure. Can generate moments.
[0161]
As shown in FIG. 7A, a guide ring 21, a bearing 23, and a bar 24 are installed on a pedestal 12 coupled with a bearing 11 and a shaft 13 installed on the waist support belt 10. Here, the angle of the pedestal 12 can be changed around the axis 13 so that the opening direction of the human body can be freely changed.
[0162]
As shown in FIG. 7 (B), the thigh support beam 30a connected to the moment generator 20 includes a guide panel 22, a shaft 25, and a bar 26. The guide panel 22 has an annular groove 27, and the guide ring 21 is inserted into the groove 27.
[0163]
The shaft 25 is inserted into the bearing 23 so that the guide ring 21 and the guide panel 23 can rotate relative to each other.
[0164]
As shown in the sectional view of FIG. 7C, two bellows 28 are accommodated in an annular space formed when the guide ring 21 is inserted into the groove 27, and both ends of each bellow 28 are respectively connected to the bars 24, 26. It is joined to.
[0165]
Further, these bars 24 and 26 are provided with passages through which gas is sent to each bellow 28 or gas is extracted, and the other portions are airtight.
[0166]
A moment can be generated by sending a gas to one of the bellows 28 and removing the gas filling the other bellows 28. Since the pressure difference is almost proportional to the moment, the control is relatively easy.
[0167]
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a control system for controlling the moment to be generated.
In FIG. 8, the bellows 28 a and the bellows 28 b are connected to the pressure pipes 134 a and 134 b from the pressure source 131 through the gas heater 136 through the bars 24 and 26, respectively.
[0168]
As the pressure source 131, a high pressure gas cylinder such as carbon dioxide gas or nitrogen gas, a compressor, or the like can be considered. In particular, the gas that is liquefied by increasing the pressure at room temperature is desirable because the volume of the pressure source is small.
[0169]
However, since the temperature is lowered by vaporization and subsequent expansion, the gas temperature required for the operation can be saved by heating the gas temperature to normal temperature or higher by the heater 136 and expanding the gas volume.
[0170]
Electric control valves 132a and 132b are installed in the middle of the pressurizing pipes 134a and 134b. Gas discharge pipes 133a and 133b are connected between the electric control valves 132a and 132b and the bellows 28a and 28b, and electric control valves 131a and 131b are installed in the discharge pipes 133a and 133b, respectively. .
[0171]
The electric control valves 131a and 132b are controlled by a control signal 135a, and the electric control valves 131b and 132a are controlled by a control signal 135b.
[0172]
When a signal for closing the valve is supplied to the control signal 135a, the electric control valves 131a and 132b are closed, and the gas cannot be released from the bellows 28a, and the high-pressure gas is not supplied to the bellows 28b.
[0173]
At the same time, when a signal for opening these valves is supplied to the electric control valves 131b and 132a by the control signal 135b, high-pressure gas is supplied to the bellows 28a, and gas is released from the bellows 28b.
[0174]
As a result, the bellows 28a becomes high pressure and the bellows 28b becomes atmospheric pressure, and a moment is generated.
[0175]
To generate the reverse moment, the control signal may be sent in reverse. That is, if a control signal for opening the valves 132b and 131a and closing the valves 132a and 131b is supplied, the opposite moment can be generated.
[0176]
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a schematic structure of the upper thigh mounting belt 80. FIG. 9 shows an example of the structure of the upper thigh mounting belt 80, but other mounting belts can be realized with the same structure.
[0177]
In FIG. 9, tension detectors 83a, 83b, 83c, and 83d are attached to the thigh support beams 30a and 30b, and belts 81a, 82a, 81b, and 82b are attached to the tension detection ends, respectively.
[0178]
The belts 81 a and 82 a and the belts 81 b and 82 b can be fastened and fixed to each other by freely changing the length by the fasteners 84. Pads 85 for protecting the human body are installed inside the belts 81a and 82a and the belts 81b and 82b, and the human body and the motion support device can transmit force only through these pads 85.
[0179]
Each of the tension detectors 83a, 83b, 83c, and 83d detects tension parallel to the longitudinal direction of the cross section of the thigh support beams 30a and 30b in FIG. 9 and tension in a direction perpendicular to the paper surface of the cross sectional view. It has become.
[0180]
Force E applied to the upper thigh₁(Shown in FIG. 3) can be obtained by subtracting tension parallel to the longitudinal direction of the cross section of the thigh support beams 30a and 30b. Also, the force H parallel to the thigh support beams 30a, 30b₁Is obtained as the sum of forces in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
[0181]
FIG. 10 is a diagram showing an example of the structure of the thigh support beam 30a. Other support beams have the same structure as the thigh support beam 30a.
[0182]
In FIG. 10, the outer cylinder 31 and the inner cylinder 32 are in the shape of a flat tube made of a light metal such as aluminum or magnesium, or a fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as FRP), or a composite material combining them, Bending strength is given compared with weight.
[0183]
The inner cylinder 32 can be inserted into and removed from the outer cylinder 31, a partition wall 34 is formed inside the outer cylinder 31, and a partition wall 35 is formed inside the inner cylinder 32. An adjustment nut 39 is attached to the partition wall 34 so that the adjustment nut 39 can be rotated from the outside of the outer cylinder 31.
[0184]
A screw portion 38 formed on one end side of the support shaft 33 is inserted into the adjustment nut 39. Stoppers 37 a and 37 b are formed on the other end side of the support shaft 33, and a spring 36 a is disposed between the stopper 37 a and the partition wall 35.
[0185]
A spring 36b is disposed between the stopper 37b and the partition wall 35. Although the support shaft 33 is not shown in the figure, it is assumed that it does not rotate together even if the adjustment nut 39 is turned by a method such as a keyway.
[0186]
Since the thigh support beam 30a is configured in this way, when a person with a different thigh length wears the thigh support beam 30a, the length of the thigh support beam 30a is adjusted by turning the adjustment nut 39. I can do things.
[0187]
The springs 36a and 36b are preliminarily contracted to some extent with respect to the free state, and generate a predetermined resistance against the insertion and removal of the outer cylinder 31 and the inner cylinder 32.
[0188]
When the posture of the human body is changed by these springs 36a and 36b, a slight expansion / contraction of the thigh support beam 30a can be allowed.
[0189]
Desirably, if the distance between the stoppers 37a and 37b can be changed by a screw or the like, the resistance to the insertion and removal of the outer cylinder 31 and the inner cylinder 32, that is, the expansion and contraction of the thigh support beam 30a can be changed.
[0190]
In addition, each support beam has an electric wire that transmits a signal from the measuring instrument and a pipe that sends gas to the moment generating part, and even if the length of the support beam changes due to insertion / extraction, an allowance is allowed. Shall.
[0191]
  FIG. 11 is a structural external view of an example of the foot support 70.
  In FIG. 11, the part on which the foot is put is a footrest plate 72, a base 73,Ground plateThe load sensor which will be described later is installed between each.
[0192]
  Also, the base 74 is on both sides of the footConnecting plate71 are connected, theseConnecting plate71 is connected to the shin support beams 50a and 50b via the hip moment generating portions 60a and 60b. Further, a foot mounting belt 120 is connected to a position near the foot of the base 74.
[0193]
Similar to the upper thigh mounting belt 80 shown in FIG. 9, tension detectors 79a and 79b for detecting the tension are installed at the connection portion between the base 74 and the toe mounting belt 120.
[0194]
  Between the footrest plate 72 and the base 73, and the base 73Ground plate74, load sensors 75a, 75b, 76a, and 76b are installed as shown in FIG. These load sensors 75a, 75b, 76a, 76b are provided between the footrest plate 72 and the base 73, and between the base 73 andGround plateThe structure is such that not only a pressing force between the plate 74 but also a negative pressing force, that is, a tension or a shearing force parallel to the plates can be detected.
[0195]
By matching the mounting positions of the foot mounting belt 120 and the load sensor 75a, the force R of the foot₁(Shown in FIG. 3) can be obtained by subtracting the sum of the tension detection values of the tension detectors 79a and 79b and the pressing force measurement value of the load sensor 75a.
[0196]
As a result, the force of tightening the toe mounting belt 120 is canceled out, and the force R that supports the weight and load₁Can only ask for. Also, the force R applied to the buttocks₂(Shown in FIG. 3) is obtained by the pressing force of the load sensor 75b.
[0197]
Also, force F parallel to the sole of the foot₂(Shown in FIG. 3) can be calculated by the sum of the shear force measurement values of the load sensors 75a and 75b.
[0198]
Also, the force R defined in FIG.₁And R₂Distance L between points₄Uses the distance between the center points of the load sensors 75a and 75b.
[0199]
Whether or not the foot is away from the ground can be determined by determining whether the sum of the measured value of the load sensor 76a and the measured value of the sensor 76b is zero. Another method for determining whether or not the foot is away from the ground is the R obtained by the above method.₁And R₂It can also be determined by whether or not the sum is zero.
[0200]
Actually, these measured values have errors, and therefore, in determining, a reference value that is not zero is set and it is determined by whether or not it is smaller than that value.
[0201]
FIG. 13 is an operation control flowchart of the walking support mechanism.
In step S1 of FIG. 13, the length L of each part₂, L₃, L₄And weight G₂, G₃, G₄The force reduction rate f is set. Length L of each part₂, L₃, L₄Since each support beam can be adjusted in length and slightly expanded or contracted, an automatic detection function may be added, and the dimension value of the beam length automatically detected during length adjustment or use may be used.
[0202]
For example, the length L of each part is detected by detecting the distance between the partition walls 34 and 35.₂, L₃, L₄It can also be configured to detect.
[0203]
Next, in step S2, E is read from the sensor readings of each part by the method described above.₁, E₂, E₃, H₁, R₁, R₂, F₂, Θ₁, Θ₂, Θ₃, Θ₄Calculate
[0204]
Next, in step S3, R₁+ R₂Is greater than a preset value, and if it is greater, it is determined that the foot is on the ground, and the process proceeds to step S4.
[0205]
In step S4, F is obtained from the above equations (29), (30), (31).₁, G₁, M₁Calculate
[0206]
Next, in step S5, E₁, E₃From the above formulas (20) and (21)₂, M₃In step S6, m₂, M₃Multiplied by the force reduction rate f and the target moment m^* ₂, M^* ₃Calculate
[0207]
In step S7, using the calculation result of the above step, E₁, E₃Control target E^* ₁, E^* ₃And in step S8, E₁, E₃Is the control target E^* ₁, E^* ₃The moment generators 40a, 40b, 60a, 60b are controlled so that
Then, the process returns to step S2.
[0208]
In addition, it is desirable that the moment generating portions on both sides of one leg basically generate the same moment. For this purpose, when driven by gas pressure, the gas pressure of the corresponding bellows should be the same, or a tube communicating between the corresponding bellows may be provided to keep the pressure the same. This is common even when the following are mentioned.
[0209]
On the other hand, in step S3, R₁+ R₂If the value is less than the preset value, the process proceeds to step S9 and R₁, E₂, E₄From the above formulas (25), (28), (31)₃, M₂, M₁Calculate In step S10, m₃, M₂, M₁Multiplied by the force reduction rate f and the target moment m^* ₃, M^* ₂, M^* ₁Is calculated.
[0210]
Next, in step S11, using the result calculated in the above step, R in accordance with the above equations (34), (35), and (38).₁, E₄, E₂Control target R^* ₁, E^* ₄, E^* ₂Calculate
[0211]
In step S12, R₁, E₄, E₂Is the control target R^* ₁, E^* ₄, E^* ₂The moment generators 20, 40a, 40b, 60a, 60b are controlled so as to match. Then, the process returns to step S2.
[0212]
  As described above, according to the motion support device according to the embodiment of the present invention, the two attached to the waist support belt 10 attached to the lumbar part of the human body and disposed on both side surfaces of the human lumbar part, respectively. Lumbar moment generating unit 20, knee moment generating units 40a and 40b disposed on both sides of the knees of both legs of the human body, and the knee moment generating unit 40a disposed on the outer side of the waist moment generating unit 20 and the knee. The upper thigh lower support belts 80 and 90 for fixing the thigh support beam 30a to the thigh of the human body, and the upper thigh lower support belts 80 and 90 and the inner side of the knee. An inner thigh support beam 30b connecting the knee moment generator 40b, and hip moment generators 60a and 60b disposed on both sides of the heel of both legs of the human body; Tibial support beams 50a and 50b connecting the head moment generating portions 40a and 40b and the buttocks moment generating portions 60a and 60b, the shin support belt 100 and the ankle for fixing the tibial support beams 50a and 50b to the shin portion of the human body A mounting belt 110, a foot support part 70 for supporting the sole of the human body, a connecting plate 71 for connecting the foot support part 70 and the buttocks moment generating parts 60a, 60b, a foot support part 70 and the toes of the human body To the toe mounting belt 120, the waist moment generator 20, the knee moment generators 40a and 40b, and the buttocks moment generators 60a and 60b.Generated acceleration, A sensor for detecting a rotation angle, a sensor for detecting a load applied to the foot support 70, and a waist moment generator 20, knee moment generators 40 a, 40 b, heels based on detection signals from these detection sensors In order to support the movement of the human body at a constant reduction rate f in each part of the part moment generating parts 60a, 60b, the motion support force that should be generated is calculated, and the energy for the motion support is generated as the above moment generation. And an energy source / control unit 3 to be supplied to the unit.
[0213]
That is, the energy source / control unit 3 calculates the force that should be generated by each part of the human body when the support force from the moment generators 20, 40 a, 40 b, 60 a, 60 b is not applied to the human body. The moment generating units 20, 40a, 40b, 60a, 60b generate a support force multiplied by a certain reduction rate f.
[0214]
Therefore, the human body and the support device can bear the total load on the human body at a roughly predetermined ratio, thereby reducing the load on the human body and realizing an operation support device capable of natural operation.
[0215]
In the above-described example, the control target is described as the force applied to the body from the motion support device according to the present invention. However, a model as described in the basic concept or the like is set for the motion support device, and the necessary moment is set. You may calculate and control directly.
[0216]
The motion support apparatus according to the present invention itself can also be modeled as an aggregate of beams as shown in FIG. 2 or FIG. 3, and can be solved by deriving almost the same equation.
[0217]
In the above-described example, when calculating the control target, the moment generated by the human body is reduced at a predetermined constant ratio. However, this ratio does not always have to be constant. The upper limit of the load to be borne can be determined in advance, and the target moment can be determined so as not to exceed the upper limit.
[0218]
Alternatively, it can be a function that reduces the reduction ratio as the required moment increases when it is assumed that there is no force from the motion support apparatus according to the present invention.
[0219]
In addition, limit values that the strength and power of the motion support device according to the present invention cannot be handled are set in advance, and when the load becomes too large and the limit is exceeded, a mechanism that issues an alarm, and the power source is low. It is possible to add a mechanism to generate an alarm even when it becomes.
[0220]
Furthermore, as a result of the human body accepting all loads when the power of the motion support device is lost, the passage through which the gas escapes is restricted so that the human body does not collapse suddenly, so that the gas slowly escapes. The mechanism can prevent the human body from being damaged.
[0221]
Further, in one embodiment of the present invention, a beam-like structure is arranged along the thigh and shin, and one beam is arranged on each side of each foot. Instead, it may be a tubular structure that covers part or all of the legs and legs.
[0222]
In this case, the upper thigh mounting belt 80, the lower thigh mounting belt 90, the shin upper mounting belt 100, the ankle mounting belt 110, the toe mounting belt 120, and the like are accommodated in the tubes, and between the human body and the motion support device according to the present invention. It only needs to have a function of transmitting force and measuring those forces, and it does not necessarily have to be a belt.
[0223]
Even when a beam-like structure is used, the periphery of the legs and legs may be covered with some shell, film or cloth.
[0224]
When covering with a tubular structure, shell, film, cloth, etc. as described above, if it is configured to add a function to adjust the temperature of the air inside them, air conditioning is limited to the surroundings of the human body. I can do things.
[0225]
Conventionally, there has been a scallop or the like as a personal air conditioner, but a device that covers the periphery of the human body and adjusts the temperature of the air around the body has not been put into practical use.
[0226]
This is because the weight and volume of the equipment that covers the human body, the device that adjusts the air temperature, the device that circulates the temperature-controlled air, etc. are large and cannot be carried by individuals. If the operation support device according to the present invention can give support force to carry such weight to the human body, it becomes possible to install a cooling device or the like for each person, and energy saving compared to cooling and heating the entire wide space. In addition, it is possible to spend comfortably even in an environment where such air conditioning is not performed, and work can be easily performed.
[0227]
In addition, when a compressed and liquefied gas cylinder is used as a power source, the heat generated when the gas is vaporized and expanded, and the heat used to maintain the gas pressure can be used as the heat source or cooling source for the above-mentioned air conditioning. From this point of view, there are significant advantages.
[0228]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the total load on the human body, including the load generated by the load held by the upper body such as the hand and shoulders, the object being pushed or pulled, etc. It is possible to realize an operation support apparatus capable of performing natural operations by reducing the load on the human body by burdening the human body and the support apparatus in proportion.
[0229]
That is, when the support force from the motion support device is not applied to the human body, the force to be generated by each part of the human body is calculated, and the support force obtained by multiplying the calculated force by a certain reduction rate f is generated in the motion support device. It was configured as follows.
[0230]
Therefore, regardless of the posture of the human body, and regardless of what load is supported on the upper body, it is possible to realize a motion support device that can reduce the burden on the muscles with a large burden on the lower limbs at a roughly predetermined rate. The burden can be reduced without interfering with the natural operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic concept of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a mathematical model of a human body.
FIG. 3 is a diagram for defining a force applied to the mathematical model shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram showing the posture of a human body in a trial calculation example.
FIG. 5 is a diagram showing the posture of a human body in an example in which a leg is largely bent.
FIG. 6 is a view showing a posture of a human body when a foot is lifted.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a structure of a moment generation unit.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a control system of a moment generation unit.
FIG. 9 is a diagram showing an example of a mounting belt structure.
FIG. 10 is a view showing an example of a support beam length adjusting mechanism.
FIG. 11 is an external configuration diagram of a foot support portion.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a foot support portion.
FIG. 13 is an operation control flowchart of the walking support mechanism according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 human body
2 Operation support device
3 Energy source and control unit
4 Upper body support mechanism
10 waist support belt
11 Bearing
12 pedestal
13 axes
20 Lumbar moment generation part
21 Guide ring
22 Guide panel
23 Bearing
24, 26 bar
25 axes
27 groove
28a, 28b Bellows
30a, 30b Femoral support beam
31 outer cylinder
32 inner cylinder
33 Support shaft
34, 35 Bulkhead
36a, 36b Spring
37a, 37b Stopper
38 Screw part
39 Adjustment nut
40a, 40b Knee moment generator
50a, 50b shin support beam
60a, 60b Buttocks moment generator
70 foot support
72 Foot plate
73 base
74 Ground version
71 connection version
75a, 75b Load sensor
76a, 76b Load sensor
79a, 79b Tension detector
80 Upper thigh wearing belt
81a, 82a belt
81b, 82b belt
83a, 83b Tension detector
83c, 83d tension detector
84 Fasteners
85 pads
90 Lower thigh wearing belt
100 Tibial upper belt
110 Ankle wearing belt
120 Foot-mounted belt
131a, 131b Electric control valve
132a, 132b Electric control valve
133a, 133b discharge pipe
136 Heater

Claims (10)

人体の大腿部に沿って配置される大腿部支持部材と、
人体の脛部に沿って配置される脛部支持部材と、
人体の足に沿って配置される足支持部材と、
人体の膝近辺に配置され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材とに接続され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材との互いの曲げモーメントを発生する膝モーメント発生部と、
人体の踝近辺に配置され、上記脛部支持部材と足支持部材とに接続され、上記脛部支持部材と足支持部材との互いの曲げモーメントを発生する踝モーメント発生部と、
上記膝モーメント発生部及び踝モーメント発生部により、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材に発生した力を人体の下肢の複数箇所に伝達する力伝達手段と、
上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材と人体の下肢との間に発生する力を検出する力センサと、
上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材の長手方向と、重力を含む人体にかかる加速度の方向の成す角度を検出する角度センサと、
上記力センサ及び角度センサからの検出信号に基づいて、人体の動作に対し、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材支持部材からの支援力がないときに人体が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の比率を掛けた支援力を算出し、算出した支援力を発生するように、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する動力源兼制御部と、
を備え、人体の動作を支援する力を発生することを特徴とする動作支援装置。A thigh support member disposed along the thigh of the human body;
A shin support member disposed along the shin of the human body;
A foot support member disposed along the foot of the human body;
A knee moment generator that is disposed near the knee of the human body, connected to the thigh support member and the shin support member, and generates a mutual bending moment between the thigh support member and the shin support member;
A heel moment generating portion that is disposed in the vicinity of the heel of the human body, connected to the shin support member and the foot support member, and generates a mutual bending moment between the shin support member and the foot support member;
Force transmitting means for transmitting the force generated in the thigh support member, shin support member and foot support member to a plurality of locations of the lower limbs of the human body by the knee moment generation unit and the heel moment generation unit;
A force sensor for detecting a force generated between the thigh support member, the shin support member and the foot support member and the lower limb of the human body;
An angle sensor for detecting an angle formed by the longitudinal direction of the thigh support member, the shin support member and the foot support member and the direction of acceleration applied to the human body including gravity;
Based on the detection signals from the force sensor and the angle sensor, the human body should be generated when there is no support force from the thigh support member, shin support member, and foot support member support member for human motion. A power source that supplies power to the knee moment generation unit and the heel moment generation unit so as to calculate a force, calculate a support force obtained by multiplying the calculated force by a certain ratio, and generate the calculated support force A control unit;
An operation support apparatus comprising: a force for supporting the operation of a human body. 請求項１記載の動作支援装置において、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、それぞれ、長さ方向の寸法を変更する寸法変更手段を有することを特徴とする動作支援装置。  2. The motion support apparatus according to claim 1, wherein each of the thigh support member, the shin support member, and the foot support member includes a dimension changing unit that changes a dimension in the length direction. . 請求項１記載の動作支援装置において、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、それぞれ、長さ方向の寸法を計測する長さ計測手段を有し、この長さ計測手段により計測された寸法に基づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給することを特徴とする動作支援装置。  2. The motion support apparatus according to claim 1, wherein each of the thigh support member, the shin support member, and the foot support member includes a length measurement unit that measures a dimension in a length direction. The power source / control unit supplies power to the knee moment generation unit and the heel moment generation unit so as to generate the calculated support force based on the dimension measured by apparatus. 請求項１、２又は３のうちのいずれか一項記載の動作支援装置において、大腿部、脛部、足の少なくとも一つの重量が設定され、その設定された重量に基づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給することを特徴とする動作支援装置。  4. The motion support device according to claim 1, wherein a weight of at least one of a thigh, a shin, and a foot is set, and the power source is based on the set weight. The cum control unit supplies power to the knee moment generation unit and the heel moment generation unit so as to generate the calculated support force. 請求項１記載の動作支援装置において、上記力伝達手段は、上記大腿部支持部材を、人体の太腿上下部分に固定する第１の固定部材と、上記脛部支持部材を人体の脛上下部分に固定する第２の固定部材と、上記足支持部材を人体の足に固定する第３の固定部材とを有することを特徴とする動作支援装置。  2. The motion support apparatus according to claim 1, wherein the force transmission means includes a first fixing member that fixes the thigh support member to the upper and lower portions of the thigh of the human body, and the tibial support member that moves the tibial support member up and down the human thigh. An operation support apparatus comprising: a second fixing member that fixes to a portion; and a third fixing member that fixes the foot support member to a human body foot. 請求項１、２、３、４又は５のうちのいずれか一項記載の動作支援装置において、上記動力源兼制御部は、大気圧より高い圧力の気体を発生する動力源を有し、この動力源から発生される圧力を上記膝モーメント発生部、上記踝モーメント発生部に供給することにより、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給することを特徴とする動作支援装置。  The operation support apparatus according to any one of claims 1, 2, 3, 4 or 5, wherein the power source / control unit includes a power source that generates a gas having a pressure higher than atmospheric pressure. An operation support apparatus for supplying power to the knee moment generator and the heel moment generator by supplying pressure generated from a power source to the knee moment generator and the heel moment generator. 請求項６記載の動作支援装置において、上記動力源は、圧縮ガスまたは圧縮し液化したガスを貯蔵し、上記動力源兼制御部は、上記動力源からのガスを加熱する加熱手段を、さらに有することを特徴とする動作支援装置。  7. The operation support apparatus according to claim 6, wherein the power source stores compressed gas or compressed and liquefied gas, and the power source / control unit further includes a heating unit that heats the gas from the power source. An operation support apparatus characterized by that. 請求項７記載の動作支援装置において、上記圧縮ガスあるいは液化ガスが膨張あるいは気化、膨張する際の吸熱作用を用いて人体を冷房する冷房手段を、さらに備えることを特徴とする動作支援装置。  8. The operation support apparatus according to claim 7, further comprising cooling means for cooling the human body using an endothermic action when the compressed gas or liquefied gas expands, vaporizes, or expands. 請求項７記載の動作支援装置において、上記圧縮したガスあるいは液化したガスを加熱する手段による熱を用いて人体を暖房する暖房手段を、さらに備えることを特徴とする動作支援装置。  8. The operation support apparatus according to claim 7, further comprising heating means for heating the human body using heat from the means for heating the compressed gas or the liquefied gas. 人体の腰部に装着される腰支持ベルトと、
上記腰支持ベルトの両側面側に、それぞれ、配置される２つの腰部モーメント発生部と、
膝部モーメント発生部と、
腰部モーメント発生部と膝部モーメント発生部とを接続する外側大腿支持ビームと、
上記外側大腿支持ビームを人体の大腿に固定するための大腿上部下部支持ベルトと、
上記大腿上部下部支持ベルトと膝の内側に配置される膝部モーメント発生部とを接続する内側大腿支持ビームと、
踝部モーメント発生部と、
上記膝部モーメント発生部と踝部モーメント発生部とを接続する脛支持ビームと、
脛支持ビームを人体の脛部に固定するための脛上装着ベルト及び足首装着ベルトと、
足支持部と、
上記足支持部と踝部モーメント発生部とを接続する接続版と、
足支持部を人体の足先に固定するための足先装着ベルトと、
腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部及び踝部モーメント発生部に発生する加速度、回転角度を検出する第１のセンサと、
足支持部に加わる荷重を検出する第２のセンサと、
上記第１及び第２のセンサからの検出信号に基づいて、腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部、踝部モーメント発生部の各部に一定の軽減率で人体の動作を支援するために、それぞれ発生すべき、動作支援力を演算し、その動作支援のためのエネルギーを、上記各モーメント発生部に供給するエネルギー源兼制御ユニットと、
を備えることを特徴とする動作支援装置。A waist support belt attached to the waist of the human body;
Two waist moment generating portions respectively disposed on both side surfaces of the waist support belt;
Knee moment generator,
An outer thigh support beam connecting the lumbar moment generator and the knee moment generator;
An upper thigh lower support belt for fixing the outer thigh support beam to a human thigh;
An inner thigh support beam connecting the upper thigh lower support belt and a knee moment generator disposed inside the knee;
Buttocks moment generator,
A shin support beam connecting the knee moment generator and the hip moment generator;
A tibial attachment belt and an ankle attachment belt for fixing the tibial support beam to the shin part of the human body;
A foot support;
A connecting plate for connecting the foot support part and the buttocks moment generating part;
A foot mounting belt for fixing the foot support to the human foot,
Waist moment generating portion, a knee portion moment generating portion and the ankle portion that occurs the moment generator acceleration, a first sensor for detecting the rotation angle,
A second sensor for detecting a load applied to the foot support portion;
Based on the detection signals from the first and second sensors, in order to support the movement of the human body at a constant reduction rate in each part of the waist moment generating part, the knee moment generating part, and the buttocks moment generating part, respectively. An energy source and control unit that calculates the operation support force to be generated and supplies energy for the operation support to each moment generation unit,
An operation support apparatus comprising:

Images