WO2018203318A1

WO2018203318A1 - 腕腰補助装置

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Publication number: WO2018203318A1
Application number: PCT/IB2018/054890
Authority: WO
Inventors: 小林宏; 中村栄太; 一瀬浩輝
Original assignee: 株式会社イノフィス
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2018-11-08
Also published as: EP3620274A1; CN110876262A; EP3620274A4; JP2018187709A; US20200198121A1; CA3062117A1

Abstract

小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができる腕腰補助装置を得る。腕腰補助装置（１０）は、使用者の背部に装着される上体フレーム（１８）と、使用者の下肢に装着される大腿アーム（１６）と、使用者の上肢に装着される腕サポートアーム（２０）と、を備えている。また、腕腰補助装置（１０）は、上体フレーム（１８）を大腿アーム（１６）に対して付勢することで、使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力を付与すると共に、腕サポートアーム（２０）を上体フレーム（１８）に対して付勢することで、使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力を付与する人工筋肉（２２）を備えている。

Description

腕腰補助装置

　本発明は、腕腰補助装置に関する。

　下記特開２００９−２７３７１１号公報及び特開２０１６−２１２３号公報には、使用者の身体に装着されることで、使用者の腰部や上肢を補助する腕腰補助装置が開示されている。

　特開２００９−２７３７１１号公報に記載された腕腰補助装置（上腕保持装置及び上腕補助装置）では、第１アクチュエータが作動されることで使用者の上腕の上昇及び保持がサポートされ、第２アクチュエータが作動されることで使用者の腰部がサポートされるようになっている。

　特開２０１６−２１２３号公報に記載された腕腰補助装置（上腕保持装置及び上腕補助装置）では、人体の各間接に対応する複数の駆動モータがそれぞれ作動されることで、使用者の上肢がサポートされると共に使用者の腰部がサポートされるようになっている。

　しかしながら、特開２００９−２７３７１１号公報及び特開２０１６−２１２３号公報に記載された腕腰補助装置では、使用者の上肢をサポートするためのサポート力を発生させるアクチュエータと、使用者の腰部をサポートするためのサポート力を発生させるアクチュエータと、がそれぞれ独立して設けられている。そのため、構成部品の点数が増え、腕腰補助装置の小型化、軽量化及び低コスト化を図るという観点で改善の余地がある。

　本発明は上記事実を考慮し、小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができる腕腰補助装置を得ることが目的である。

　第１の態様の腕腰補助装置は、使用者の背部に装着される背部装着部と、前記使用者の下肢に装着される下肢装着部と、前記使用者の上肢に装着される上肢装着部と、前記背部装着部を前記下肢装着部に対して付勢することで、前記使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力を付与すると共に、前記上肢装着部を前記背部装着部に対して付勢することで、前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力を付与するサポート力付与部と、を備えている。

　第１の態様の腕腰補助装置によれば、背部装着部が使用者の背部に装着され、下肢装着部が使用者の下肢に装着され、上肢装着部が使用者の上肢に装着されることで、当該腕腰補助装置が使用者の身体に装着される。そして、サポート力付与部が、背部装着部を下肢装着部に対して付勢すると共に上肢装着部を背部装着部に対して付勢することで、使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力が付与されると共に、使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力が付与される。ここで、第１の態様の発明では、サポート力付与部は、使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力の両方のサポート力を生じさせる。これにより、使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力の両方のサポート力を生じさせるアクチュエータをそれぞれ独立して設けた場合と比べて、腕腰補助装置の小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができる。

　第２の態様の腕腰補助装置は、第１の態様の腕腰補助装置において、前記サポート力付与部は、ガスが供給されることで収縮する人工筋肉とされており、前記人工筋肉が収縮されることで、前記使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力が付与される。

　第２の態様の腕腰補助装置によれば、サポート力を発生させるサポート力付与部が人工筋肉とされていることにより、サポート力付与部の重量の増加を抑制しつつ、より大きなサポート力を得ることができる。

　第３の態様の腕腰補助装置は、第１の態様の腕腰補助装置において、前記サポート力付与部はバネとされており、前記使用者の姿勢変化に伴って前記バネが変形されることで、前記使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力が付与される。

　第３の態様の腕腰補助装置によれば、サポート力を発生させるサポート力付与部がバネとされている。そして、このバネが変形されることでサポート力が発生する。当該構成では、外部から電気的又は機械的なエネルギを供給することなくサポート力を発生させることができる。

　第４の態様の腕腰補助装置は、第１の態様~第３の態様のいずれかの腕腰補助装置において、前記上肢装着部が、前記背部装着部に対して前記使用者の左右方向に傾動可能とされた。

　第４の態様の腕腰補助装置によれば、上肢装着部が、背部装着部に対して使用者の左右方向に傾動可能とされている。これにより、使用者が荷物を持ち上げ作業等をする際に、様々な寸法の荷物に対応することができる。

　第５の態様の腕腰補助装置は、第１の態様~第４の態様のいずれかの腕腰補助装置において、前記上肢装着部は、前記使用者の手首に装着される手首装着部を備えており、前記手首装着部から前記使用者の手首に前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力が付与される。

　第５の態様の腕腰補助装置によれば、使用者が荷物を持ち上げる際や荷物を持ち上げた状態に保持する際に荷重が加わる手首を手首装着部によって効果的にサポートすることができる。

　第６の態様の腕腰補助装置は、第１の態様~第５の態様のいずれかの腕腰補助装置において、前記上肢装着部は、前記背部装着部に上肢装着部側プーリを介して傾動可能に支持されており、前記下肢装着部は、前記背部装着部に下肢装着部側プーリを介して傾動可能に支持されており、前記上肢装着部側プーリの外径と前記下肢装着部側プーリの外径とが異なっており、前記サポート力付与部につながれたワイヤが、前記上肢装着部側プーリ及び前記下肢装着部側プーリにそれぞれ係止されている。

　第６の態様の腕腰補助装置によれば、サポート力付与部につながれたワイヤが、互いに外径の異なる上肢装着部側プーリ及び下肢装着部側プーリにそれぞれ係止されていることにより、下肢装着部に対する上体装着部の変位量と、上体装着部に対する上肢装着部の変位量と、を異ならせることができる。すなわち、第６の態様の発明では、使用者の作業形態に応じて、下肢装着部に対する上体装着部の変位量と、上体装着部に対する上肢装着部の変位量と、の割合をより最適にすることができる。

　第７の態様の腕腰補助装置は、使用者の背部に装着される背部装着部と、前記使用者の下肢に装着される下肢装着部と、前記使用者の上肢に装着される上肢装着部と、前記背部装着部を前記下肢装着部に対して付勢することで、前記使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力を付与すると共に、前記上肢装着部を前記背部装着部に対して付勢することで、前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力を付与するサポート力付与部と、を備え、使用者の動作に応じて、前記使用者の上肢を引き上げる方向へ作用するサポート力と、前記使用者の上体を引き起こす方向へ作用するサポート力と、の配分比率が変わる。

　第７の態様の腕腰補助装置によれば、使用者の動作に応じて、すなわち、使用者の姿勢変化に応じて、使用者の上肢を引き上げる方向へ作用するサポート力と上体を引き起こす方向へ作用するサポート力との配分比率を変えることができる。

　本発明に係る腕腰補助装置は、小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができる、という優れた効果を有する。

第１実施形態に係る腕腰補助装置を示す斜視図である。第１実施形態に係る腕腰補助装置を示す側面図である。第１実施形態に係る腕腰補助装置を示す正面図である。第１実施形態に係る腕腰補助装置を示す平面図である。サポータを示す側面図である。人工筋肉を模式的に示す模式図である。図６に示された人工筋肉に空気が供給された状態を模式的に示す図５に対応する模式図である。人工筋肉収容部内に配置された人工筋肉を模式的に示す模式図である。空気が供給される前の腕腰補助装置の主要部を模式的に示す側面図である。空気が供給された状態の腕腰補助装置の主要部を模式的に示す側面図である。腕腰補助装置の各傾動軸を説明するための図１に対応する斜視図である。筋使用量の評価方法を説明するための説明図である。腕腰補助装置を装着した使用者が腰を下ろさない姿勢から荷物を持ち上げ始める状態を示す側面図である。腕腰補助装置を装着した使用者が図１３Ａに示された姿勢から荷物を持ち上げ終えた状態を示す側面図である。腕腰補助装置を装着した使用者が荷物を持ち上げた姿勢で当該荷物を保持している状態を示す側面図である。腕腰補助装置を装着した使用者が腰を下ろした姿勢から荷物を持ち上げ始める状態を示す側面図である。腕腰補助装置を装着した使用者が図１４Ａに示された姿勢から荷物を持ち上げ終えた状態を示す側面図である。腕腰補助装置を装着した使用者が荷物を持ち上げた姿勢で当該荷物を保持している状態を示す側面図である。使用者の身体において筋電を測定した箇所を説明するための説明図である。図１３Ａに示された状態から図１３Ｂに示された状態までの各被験者の筋使用量を示すグラフである。図１３Ｃに示された状態で荷物を保持している際の各被験者の筋使用量を示すグラフである。図１４Ａに示された状態から図１４Ｂに示された状態までの各被験者の筋使用量を示すグラフである。図１４Ｃに示された状態で荷物を保持している際の各被験者の筋使用量を示すグラフである。第２実施形態に係る腕腰補助装置を使用者が装着した状態を示す側面図である。空気バネを説明するための説明図である。第２実施形態に係る腕腰補助装置を装着した使用者が腰を下ろした状態を示す側面図である。第２実施形態に係る腕腰補助装置の主要部を模式的に示す側面図である。第２実施形態に係る腕腰補助装置を使用者が装着した状態を示す側面図である。第２実施形態に係る腕腰補助装置を装着した使用者が腰を下ろさない姿勢で荷物をつかんだ状態を示す側面図である。第２実施形態に係る腕腰補助装置を装着していると共に荷物をつかんだ使用者が腰を下ろした状態を示す側面図である。第２実施形態に係る腕腰補助装置を装着していると共に荷物をつかんだ使用者が図２６に示された状態から腰を上げた状態を示す側面図である。図２５に示された状態の腕腰補助装置の主要部を模式的に示す側面図である。図２６に示された状態の腕腰補助装置の主要部を模式的に示す側面図である。図２７に示された状態の腕腰補助装置の主要部を模式的に示す側面図である。第３実施形態に係る腕腰補助装置を示す斜視図である。第３実施形態に係る腕腰補助装置を示す側面図である。第３実施形態に係る腕腰補助装置を示す正面図である。第３実施形態に係る腕腰補助装置を示す平面図である。

　図１~図１０を用いて本発明の第１実施形態に係る腕腰補助装置について説明する。なお、腕腰補助装置を装着している状態でかつ直立した状態の使用者から見た前後方向前方側を矢印ＦＲで示し、右側及び左側をそれぞれ矢印ＲＨ及び矢印ＬＨで示し、上下方向上側を矢印ＵＰで示す。また、以下の説明で、単に前後、左右、上下の方向を示す場合は、腕腰補助装置を装着している状態でかつ直立した状態の使用者から見た前後、左右、上下を示すものとする。

　図１~図４に示されるように、腕腰補助装置１０は、使用者の腰部の側方側に配置される左右一対のベース部１２と、ベース部１２に取付けられていると共に使用者の腰部に装着される腰部ベルト１４と、を備えている。また、腕腰補助装置１０は、使用者の大腿部に沿って配置されると共にベース部１２に傾動可能に取付けられた下肢装着部としての左右一対の大腿アーム１６を備えている。さらに、腕腰補助装置１０は、使用者の上体（背部）に沿って配置されると共にベース部１２に傾動可能に取付けられ背部装着部の一部を構成する上体フレーム１８を備えている。また、腕腰補助装置１０は、使用者の上肢に沿って配置されると共に上体フレーム１８の上端部に傾動可能に取りつけられた上肢装着部としての腕サポートアーム２０を備えている。さらに、腕腰補助装置１０は、上体フレーム１８内に配置されたサポート力付与部としての人工筋肉２２（図６参照）を備えている。

　ベース部１２は、板状に形成された外側プレート２４及び内側プレート２６と、を含んで構成されている。外側プレート２４と内側プレート２６とは、側面視で（右側又は左側から見て）ほぼ同一の形状に形成されている。また、外側プレート２４と内側プレート２６とは、複数の接続ピン等を介して接続されている。これにより、外側プレート２４と内側プレート２６とは、左右方向に所定の間隔を空けてかつ互いに平行に配置されている。

　また、外側プレート２４と内側プレート２６との間には、第１プーリ２８及び第２プーリ３０が回転可能に設けられている。下肢装着部側プーリとしての第１プーリ２８は、外側プレート２４及び内側プレート２６の下部側に左右方向を回転軸方向として取付けられている。この第１プーリ２８の回転軸は、使用者の股関節に対応している。また、第１プーリ２８には、後述する大腿アーム１６が取付けられている。ここで、第１プーリ２８が一方側へ回転されて（左側面視で反時計回り方向へ回転されて）、第１プーリ２８が外側プレート２４及び内側プレート２６等に固定された被当接部に当接することで、当該第１プーリ２８の一方側への回転が規制されるようになっている。その結果、第１プーリ２８に取付けられた大腿アーム１６の後方側へ傾動が制限されるようになっている。

　第２プーリ３０は、外側プレート２４及び内側プレート２６の上部側かつ第１プーリ２８の後方側に左右方向を回転軸方向として取付けられている。この第２プーリ３０の回転軸は、使用者の仙腸関節に対応している。また、第２プーリ３０には、後述する上体フレーム１８が取付けられている。

　腰部ベルト１４は、使用者の上方側から見て環状に形成されており、この腰部ベルト１４は、使用者の腰部に装着されるようになっている。なお、腰部ベルト１４には、当該腰部ベルト１４の周長を調節するための図示しない長さ調節機構が設けられている。

　大腿アーム１６は、使用者の大腿部に沿って延びるアーム本体３２と、アーム本体３２に取付けられた腿パッド３４と、を含んで構成されている。アーム本体３２は、板状の部材に曲げ加工等が施されることによって形成されている。このアーム本体３２は、第１プーリ２８にヒンジ３６を介して取付けられることで、大腿アーム１６がベース部１２に対して前後方向に傾動可能に取付けられるようになっている。なお、本実施形態では、ヒンジ３６が左右方向に回動可能に構成されていることにより、大腿アーム１６がベース部１２に対して左右方向にも傾動可能になっている。

　腿パッド３４は、使用者の大腿部の前方側の面に沿う湾曲形状とされており、この腿パッド３４は、アーム本体３２の下端部に取付けられている。また、腿パッド３４は、アーム本体３２に対して左右方向を軸方向として所定の角度だけ回動可能とされている。これにより、腿パッド３４と使用者の大腿部の前方側の面との接触状態を所望の接触状態に保つことができる。

　上体フレーム１８は、正面視で（使用者の正面側から見て）略梯子状に形成されている。この上体フレーム１８は、左右方向に間隔を空けて配置されていると共に内部に人工筋肉２２（図６参照）が配置される左右一対の人工筋肉取付部３８と、左右一対の人工筋肉取付部３８の上方側の部位を左右方向に繋ぐ上側接続部４０と、左右一対の人工筋肉取付部３８の下方側の部位を左右方向に繋ぐ下側接続部４２と、を有して構成されている。左右一対の人工筋肉取付部３８の下端部及び上側接続部４０の左右方向の中央部には、使用者の上体に装着される上体装着ベルト４４が取付けられる上体装着ベルト取付部３８Ａ、４０Ａがそれぞれ設けられている。背部装着部の他の一部を構成する上体装着ベルト４４は、使用者の右肩に装着される右側装着ベルト４４Ｒと、使用者の左肩に装着される左側装着ベルト４４Ｌと、を含んで構成されており、右側装着ベルト４４Ｒ及び左側装着ベルト４４Ｌの長さはそれぞれ調整可能とされている。

　また、一対の人工筋肉取付部３８の下端部は、第２プーリ３０に固定されている。これにより、上体フレーム１８が、ベース部１２に対して前後方向に傾動可能になっている。さらに、一対の人工筋肉取付部３８の上端部には、互いに平行に配置された一対のプーリ支持板４６が固定されている。この一対のプーリ支持板４６の間には、後述する腕サポートアーム２０が取付けられる上肢装着部側プーリとしての第３プーリ４８が設けられており。この第３プーリ４８は一対のプーリ支持板４６に回動可能に支持されている。

　さらに、一対の人工筋肉取付部３８の上下方向の中間部には、背中パッド５０が架け渡されている。

　腕サポートアーム２０は、第１アーム部５２、第２アーム部５４及び先端アーム部５６を含んで構成されている。

　第１アーム部５２は、角柱状に形成されておりこの第１アーム部５２の一方側の端部は、第３プーリ４８に支持されている。これにより、腕サポートアーム２０が、上体フレーム１８の人工筋肉取付部３８の上端部に傾動可能に支持されている。また、第１アーム部５２と第３プーリ４８とはピン接合とされている。これにより、第１アーム部５２が第３プーリ４８に対して左右方向に傾動可能となっている。

　第２アーム部５４は、第１アーム部５２よりも細い寸法の２本の角柱状の部材によって形成されている。この第２アーム部５４の一方側の端部は、第１アーム部５２の他方側の端部に接合されている。また、第２アーム部５４と第１アーム部５２とは、ピン接合とされている。これにより、第２アーム部５４が第１アーム部５２に対して左右方向に傾動可能となっている。

　先端アーム部５６は、丸棒状の素材がＬ字状に曲げられること等により形成されている。この先端アーム部５６の一方側の端部は、第２アーム部５４の他方側の端部に固定されている。また、先端アーム部５６の他方側の端部には、使用者の手がはめ込まれる手首装着部としてのサポータ５８がサポータ係止ワイヤ６０を介して取付けられている。

　図５に示されるように、サポータ５８は、伸縮性を有する素材を用いて形成されており、このサポータ５８は、使用者の手首から手のひら及び手の甲を覆う筒状に形成されている。このサポータ５８には、手の親指が挿通される親指挿通孔５８Ａが形成されている。また、サポータ５８の先端側からは、手の人差し指から小指にかけての部分が突出するようになっている。

　図６及び図７に示されるように、人工筋肉２２は、所謂ＭｃＫｉｂｂｅｎ型の人工筋肉である。この人工筋肉２２は、ゴム等の弾性材料を用いて管状に形成された弾性チューブ６２と、弾性チューブ６２を覆う筒状のメッシュスリーブ６４と、を含んで構成されており、弾性チューブ６２をメッシュスリーブ６４で被覆して両端をかしめた構造となっている。

　弾性チューブ６２は、内部にガス（空気）が供給される空間を有しており、この弾性チューブ６２の内部には、圧縮空気が貯留された図示しないタンク及び接続パイプを介して空気が供給されるようになっている。

　メッシュスリーブ６４は、例えば伸縮性の小さい高張力繊維等の線材が織り上げられること等により形成されている。そして、メッシュスリーブ６４内に配置された弾性チューブ６２内に空気が供給されて、弾性チューブ６２が膨張すると、図７に示されるように、メッシュスリーブ６４の長さ方向と直交する方向への寸法が増加すると共に、当該メッシュスリーブ６４の長さ方向への寸法が減少する。これにより、人工筋肉２２の長さが短くなって（人工筋肉２２が収縮して）後述する腰及び腕をサポートする力が発生するようになっている。なお、内部の弾性チューブ６２にガス（圧縮空気）が供給されることで人工筋肉２２の長手方向に最大２０００Ｎの強い収縮力を発生させることが可能となっている。人工筋肉２２の重量は１３０ｇ程度と軽量で、モータ等に比べて質量出力比が非常に大きい。

　図８に示されるように、本実施形態では、以上説明した人工筋肉２２が、右側の人工筋肉取付部３８の内部及び左側の人工筋肉取付部３８の内部にそれぞれ２個ずつ設けられている。また、各々の人工筋肉取付部３８の内部に配置された人工筋肉２２の弾性チューブ６２には、それぞれ左右同時に空気が供給されるようになっている。

　また、図９において模式的に示されるように、右側の人工筋肉取付部３８の内部に配置された２個の人工筋肉２２の一方側の端部は、右側の第３プーリ４８にワイヤ６６を介して係止されており、また２個の人工筋肉２２の他方側の端部は、右側の第１プーリ２８にワイヤ６６を介して係止されている。なお、左側の人工筋肉取付部３８の内部に配置された２個の人工筋肉２２の一方側の端部は、左側の第３プーリ４８にワイヤ６６を介して係止されており、また２個の人工筋肉２２の他方側の端部は、左側の第１プーリ２８にワイヤ６６を介して係止されている。また、本実施形態では、第１プーリ２８及び第３プーリ４８の外径（ワイヤ６６が巻付く部分の外径）が５０ｍｍとされている。

　そして、図１０に示されるように、人工筋肉２２が収縮することで大腿アーム１６が後方側へ傾動される（傾動される方向へ付勢される）と共に、腕サポートアーム２０が上方側へ傾動される（傾動される方向へ付勢される）ようになっている。

（本実施形態の作用並びに効果）
　次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。

　図１１に示されるように、以上説明した本実施形態の腕腰補助装置１０では、腰部ベルト１４、上体装着ベルト４４及び大腿アーム１６が使用者の腰部、上体及び大腿部にそれぞれ装着されると共に、サポータ５８が使用者の両手にそれぞれ装着されることで、腕腰補助装置１０が使用者の身体に装着される。なお、本実施形態では、背中パッド５０を設けることにより、使用者の背面と上体装着ベルト取付部４０Ａ及び一対の人工筋肉取付部３８とが接触しないようにしている。また、腕腰補助装置１０の装着時に十分な肩幅を確保するために、数名の肩幅を測定し、装置の肩幅は５００ｍｍとした。さらに、本実施形態の腕腰補助装置１０の装着は、約２５秒で行うことが可能である。

　そして、図１０及び図１１に示されるように、使用者がスイッチ操作等をすることにより、人工筋肉２２へガスが供給されると、人工筋肉２２が収縮する。これにより、大腿アーム１６が後方側へ傾動される向へ付勢される（矢印Ｙ１方向へ付勢される）と共に、この反作用として上体フレーム１８が使用者の上体を引き起こす方向へ付勢される（使用者の腰部へ矢印Ｙ２方向へのサポート力が入力される）。また、人工筋肉２２が収縮すると、腕サポートアーム２０が上方側へ傾動される方向へ付勢される。これにより、使用者の手を持ち上げる方向（矢印Ｙ３方向）へのサポート力が当該使用者の手（手首）へ入力される。その結果、本実施形態の腕腰補助装置１０によれば、当該腕腰補助装置１０を装着した使用者が荷物を持ち上げる際や荷物を持ち上げた状態に保持する際に、使用者の腰部及び腕（上肢）に加わる負荷を低減することができる。

　ところで、機械技術の発達は、輸送機器や産業用ロボットを生み出し、危険で単純な労働は自動化され、人々は極度の肉体的疲労から開放されつつある。しかし、製造業、運輸業、介護などの幅広い分野で、機械化困難な重労働が依然として多く存在している。欧州安全衛生機構（ＥＵ−ＯＳＨＡ）の調査では、激しい肉体労働、荷物の持ち上げなどにより、欧州だけでも毎年何百万もの労働者が筋骨格系障害（Ｍｕｓｃｕｌｏｓｋｅｌｅｔａｌ　ｄｉｓｏｒｄｅｒｓ：ＭＳＤｓ）を発症しており、労働者全体の３３％が重量物の取り扱いを求められ、１７％が腕や足の筋肉痛を訴えている。また、ＭＳＤｓによる経済損失も深刻であり、フランスでは２００６年に約７億ユーロを上回り、上肢のＭＳＤｓによる損失はＧＮＰの２％にものぼる。これらの問題の解決策として，人の動作を外骨格により物理的に支援する着用型筋力補助装置：マッスルスーツが開発されている。肉体労働者の負荷は腰だけではなく、肩部や上腕などの上肢にも大きな負担がある。そこで、荷物の持ち上げ動作時の上肢及び腰の負担を軽減させることを目的として、本実施形態の腕腰補助装置１０の使用が有効である。

　ここで、本実施形態では、人工筋肉２２は、使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び使用者の腕を引き上げる方向へのサポート力の両方のサポート力を生じさせる。これにより、使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び使用者の腕を引き上げる方向へのサポート力の両方のサポート力を生じさせるアクチュエータをそれぞれ独立して設けた場合と比べて、腕腰補助装置１０の小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができる。

　また、本実施形態では、上記サポート力を発生させる部材が人工筋肉２２とされていることにより上記サポート力を発生させる部材の重量の増加を抑制しつつ、より大きなサポート力を得ることができる。

　さらに、本実施形態では、、腕サポートアーム２０が、第１アーム部５２及び第２アーム部５４を含んで構成されている。そして、第１アーム部５２が第３プーリ４８に対して左右方向に傾動可能となっていると共に、第２アーム部５４が第１アーム部５２に対して左右方向に傾動可能となっている。これにより、使用者が荷物を持ち上げ作業等をする際に、様々な寸法の荷物に対応することができる。

　また、本実施形態では、使用者が荷物を持ち上げる際や荷物を持ち上げた状態に保持する際に荷重が加わる手首をサポータ５８によって効果的にサポートすることができる。

（腕腰補助装置１０による補助効果の定量的評価）
　次に、本実施形態の腕腰補助装置１０の補助効果の定量的評価の結果について説明する。

　腕腰補助装置１０の補助効果を評価するために、図１２に示されるように、表面筋電図（ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｙｏｇｒａｍ，以下「ＥＭＧ」という）を計測する。計測には、日本光電社製ＷＥＢ−７０００を使用し、サンプリング周波数２５０Ｈｚ、時定数０．１ｓｅｃ、カットオフ周波数はローパスフィルタ３０Ｈｚ、ハイパスフィルタ５００Ｈｚを用いた。計測したＥＭＧを整流平滑化解析（Ａｖｅｒａｇｅ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｄ　Ｖａｌｕｅ，以下「ＡＲＶ解析」という）する。ここで得られた筋電位を積分した積分筋電値（Ｉｎｔｅｇｒａｌ　ＥｌｅｃｔｒｏＭｙｏＧｒａｍ，以下「ＩＥＭＧ」という）を、筋使用量として評価する。ＩＥＭＧはＡＲＶ解析の時定数をτ、計算区間を（−Ｔ，Ｔ）、ｔを時間とすれば、以下の式１及び式２により求められる。

　被験者（使用者Ｐ）は健康な２０代男性３名で、図１３Ａ及び図１３Ｂ並びに図１４Ａ及び図１４Ｂに示されるように、床に置かれた１０ｋｇの荷物Ｗを３秒間かけて持ち上げる動作を区間１とし、図１３Ｂ及び図１３Ｃ並びに図１４Ｂ及び図１４Ｃに示されるように、荷物Ｗを３秒かけて保持する動作を区間２とし、腕腰補助装置１０の非着用時、着用時でＩＥＭＧを比較する。このとき，荷物Ｗの持ち上げ方を図１３Ａに示されるように、腰を上げて持ち上げ（以下持ち上げ方Ｘ），図１４Ａに示されるように、腰を落として持ち上げる（以下持ち上げ方Ｙ）の２通りで行う。人工筋肉２２への圧縮空気注入は、空気を直接開閉する弁を用いた。

　測定する筋肉は図１５に示されるように、脊柱起立筋Ｋ１、広背筋Ｋ２、僧帽筋Ｋ３、三角筋前部Ｋ４、上腕二頭筋Ｋ５、頭側手根屈筋Ｋ６、尺側手根屈筋Ｋ７の７か所とする。

　測定した被験者３名について、非着用時のＩＥＭＧを１とした時の着用時の相対値を持ち上げ方Ｘかつ区間１を図１６に示し、持ち上げ方Ｘかつ区間２を図１７に示し、上げ方Ｙかつ区間１を図１８に示し、持ち上げ方Ｙかつ区間２を図１９に示す。これらの図に示されるように、図１５に示されたすべての筋肉Ｋ１~Ｋ７において、腕腰補助装置１０の着用時は非着用時と比較して、筋使用量の低下を確認することができた。

（第２実施形態に係る腕腰補助装置６８）
　次に、図２０~図２３を用いて本発明の第２実施形態に係る腕腰補助装置６８について説明する。なお、本実施形態の腕腰補助装置６８において前述の第１実施形態に係る腕腰補助装置１０の各部と対応する部材及び部分については、当該腕腰補助装置１０の各部と対応する部材及び部分と同一の符号を付してその説明を省略する。

　図２０に示されるように、本実施形態の腕腰補助装置６８の基本的な構成は第１実施形態に係る腕腰補助装置１０（図１参照）の構成と同じであるが、本実施形態の腕腰補助装置６８では、人工筋肉２２に代えてサポート力付与部及びバネとしての空気バネ７０が用いられていることに特徴がある。

　図２１に示されるように、空気バネ７０は、ＭｃＫｉｂｂｅｎ型の人工筋肉２２（図６参照）にあらかじめ一定量の空気が充填された構成とされている。そして、空気バネ７０が伸ばされて、空気バネ７０内の空気の体積が減少することで空気圧が上昇する（シャルルの法則）。これにより、図２２に示されるように、使用者Ｐの姿勢変化に伴い、空気バネ７０が伸ばされて、当該空気バネ７０が使用者Ｐの腰及び腕へのサポート力を発生させる仕組みとなっている。

　また、本実施形態では、図２３に示されるように、第１プーリ２８及び第３プーリ４８の外径（ワイヤ６６が巻付く部分の外径）が、それぞれ異なる外径である５０ｍｍ及び３０ｍｍとされている。これにより、大腿アーム１６の傾動角度の変化量の約１．６７倍ほど腕サポートアーム２０が傾動されるようになっている。

　図２４に示されるように、本実施形態の腕腰補助装置６８は、前述の第１実施形態に係る腕腰補助装置１０（図１参照）と同様の手順で装着される。しかしながら、本実施形態の腕腰補助装置６８は、前述の第１実施形態に係る腕腰補助装置１０と使用方法が異なる。

　図２５に示されるように、本実施形態の腕腰補助装置６８では、使用者Ｐが腰Ｐ２を下ろさないままの前傾姿勢で荷物Ｗをつかむ。このとき、大腿アーム１６に対して上体フレーム１８が傾動（前傾）することで、図２８Ａに示されるように、空気バネ７０が引き伸ばされる。

　次いで、図２６に示されるように、使用者Ｐが膝Ｐ１を曲げながら腰Ｐ２を下ろすことで、空気バネ７０の収縮力が高まる。これにより、図２６及び図２８Ｂに示されるように、腕サポートアーム２０が上方側へ傾動される。その結果、使用者Ｐが荷物Ｗを持ち上げる際に、当該使用者Ｐの腰Ｐ２及び腕Ｐ３がサポートされる。

　また、図２７及び図２８Ｃに示されるように、使用者Ｐが腕Ｐ３と腰Ｐ２の位置のバランス（姿勢）を調整することで，腰Ｐ２の伸展（傾動）を補助することができる。すなわち、使用者Ｐが自分の動かしやすいように腰Ｐ２と腕Ｐ３との補助力の配分比率（補助関係）を体感で獲得することができ、各使用者Ｐがそれぞれの動作に適するサポート力を得ることができる。なお、本実施形態では、２０ｋｇ程度の荷物Ｗであれば容易に持ち上げることが可能である。

　以上説明したように、本実施形態の腕腰補助装置６８によれば、空気バネ７０は、使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び使用者の腕を引き上げる方向へのサポート力の両方のサポート力を生じさせる。これにより、使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び使用者の腕を引き上げる方向へのサポート力の両方のサポート力を生じさせるアクチュエータをそれぞれ独立して設けた場合と比べて、腕腰補助装置６８の小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができる。

　なお、本実施形態では空気バネ７０を用いた例について説明したが、空気バネ７０に代えて金属性のコイルバネ等を用いてもよい。

　また、本実施形態では、外部から電気的又は機械的なエネルギを供給することなくサポート力を発生させることができる。

　さらに、本実施形態では、第１プーリ２８及び第３プーリ４８の外径（ワイヤ６６が巻付く部分の外径）が、それぞれ異なる外径に設定されている。これにより、大腿アーム１６の傾動角度の変化量に対する腕サポートアーム２０の傾動角度を寄り最適にすることができる。なお、第１プーリ２８及び第３プーリ４８の外径（ワイヤ６６が巻付く部分の外径）は、荷物Ｗを持ち上げる高さ等を考慮して適宜設定すればよい。

　また、前述の第１実施形態に係る腕腰補助装置１０及び第２実施形態に係る腕腰補助装置６８は、小型化、軽量化及び低コスト化を狙ったものではあるが、図２９~図３２に示された第３実施形態に係る腕腰補助装置７２のように、更なる軽量化及び低コスト化を図ってもよい。第３実施形態に係る腕腰補助装置７２では、上体フレーム１８の上側接続部４０及び下側接続部４２をアルミニウム合金製の板材を用いて形成すると共に、大腿アーム１６のアーム本体３２の形状を単純化することにより、腕腰補助装置７２の更なる軽量化及び低コスト化が図られている。なお、腕腰補助装置７２において前述の第１実施形態に係る腕腰補助装置１０の各部と対応する部材及び部分については、当該腕腰補助装置１０の各部と対応する部材及び部分と同一の符号を付してその説明を省略している。

　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

Claims

　使用者の背部に装着される背部装着部と、
　前記使用者の下肢に装着される下肢装着部と、
　前記使用者の上肢に装着される上肢装着部と、
　前記背部装着部を前記下肢装着部に対して付勢することで、前記使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力を付与すると共に、前記上肢装着部を前記背部装着部に対して付勢することで、前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力を付与するサポート力付与部と、
　を備えた腕腰補助装置。
　前記サポート力付与部は、ガスが供給されることで収縮する人工筋肉とされており、
　前記人工筋肉が収縮されることで、前記使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力が付与される請求項１記載の腕腰補助装置。
　前記サポート力付与部はバネとされており、
　前記使用者の姿勢変化に伴って前記バネが変形されることで、前記使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力及び前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力が付与される請求項１記載の腕腰補助装置。
　前記上肢装着部が、前記背部装着部に対して前記使用者の左右方向に傾動可能とされた請求項１~請求項３のいずれか１項に記載の腕腰補助装置。
　前記上肢装着部は、前記使用者の手首に装着される手首装着部を備えており、
　前記手首装着部から前記使用者の手首に前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力が付与される請求項１~請求項４のいずれか１項に記載の腕腰補助装置。
　前記上肢装着部は、前記背部装着部に上肢装着部側プーリを介して傾動可能に支持されており、
　前記下肢装着部は、前記背部装着部に下肢装着部側プーリを介して傾動可能に支持されており、
　前記上肢装着部側プーリの外径と前記下肢装着部側プーリの外径とが異なっており、
　前記サポート力付与部につながれたワイヤが、前記上肢装着部側プーリ及び前記下肢装着部側プーリにそれぞれ係止されている請求項１~請求項５のいずれか１項に記載の腕腰補助装置。
　使用者の背部に装着される背部装着部と、
　前記使用者の下肢に装着される下肢装着部と、
　前記使用者の上肢に装着される上肢装着部と、
　前記背部装着部を前記下肢装着部に対して付勢することで、前記使用者の上体を引き起こす方向へのサポート力を付与すると共に、前記上肢装着部を前記背部装着部に対して付勢することで、前記使用者の上肢を引き上げる方向へのサポート力を付与するサポート力付与部と、
　を備え、
　使用者の動作に応じて、前記使用者の上肢を引き上げる方向へ作用するサポート力と、前記使用者の上体を引き起こす方向へ作用するサポート力と、の配分比率が変わる腕腰補助装置。