(57)【要約】【課題】歩行機能補助器具及び歩行機能回復用器具は、その何れも重量体なため、走行や跳躍が不可能で、2足歩行機能補助や回復に必要不可欠な柔らかな動きを作り出すのが困難であった。【解決手段】人の下半身の少なくとも腰部、大腿部、脛部、足部に着脱可能にしたマッジクバンドの付いた巻付式サポータに、複数本のマッキバン型人工筋肉を伸縮自在に配設し、前記マッキバン型人工筋肉の各々に気体を給排し伸縮運動させる気体給排装置を付設したマッスルトラウザ。又は人の下半身の少なくとも腰部、大腿部、脛部、足部を一体的に履くトラウザズボンに、複数本のマッキバン型人工筋肉を伸縮自在に配設し、前記マッキバン型人工筋肉の各々に気体を給排し伸縮運動させる気体給排装置を付設したマッスルトラウザ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の下半身の少なくとも腰部、大腿部、脛部、足部に着脱可能にしたマッジクバンドの付いた巻付式サポータに、複数本のマッキバン型人工筋肉を伸縮自在に配設し、前記マッキバン型人工筋肉の各々に気体を給排し伸縮運動させる気体給排装置を付設したことを特徴とするマッスルトラウザ。
【請求項２】
人の下半身の少なくとも腰部、大腿部、脛部、足部を一体的に履くトラウザズボンに、複数本のマッキバン型人工筋肉を伸縮自在に配設し、前記マッキバン型人工筋肉の各々に気体を給排し伸縮運動させる気体給排装置を付設したことを特徴とするマッスルトラウザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２足歩行用マッスルトラウザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２足歩行機能の補助や回復用の器具は、それぞれ別々のものとして取り扱われている。
歩行機能回復器具には、脚の側部に関節を装着しこれをモータ、ピストンで駆動する運動療法装置や２ベルト歩行訓練器なるものがあり、歩行機能補助器具には、体を支える手押しカート型歩行支援用具や、手を乗せ支えて可動する歩行器などがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、歩行機能補助器具及び歩行機能回復器具は、その何れも重量体なため、走行や跳躍が不可能で、2足歩行機能補助や回復に必要不可欠な柔らかな動きを作り出すのが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上記問題を解決したものであり、その特徴とする技術手段は、次の（1）、（2）にある。
（1）、人の下半身の少なくとも腰部、大腿部、脛部、足部に着脱可能にしたマッジクバンドの付いた巻付式サポータに、複数本のマッキバン型人工筋肉を伸縮自在に配設し、前記マッキバン型人工筋肉の各々に気体を給排し伸縮運動させる気体給排装置を付設したマッスルトラウザ。
（2）、人の下半身の少なくとも腰部、大腿部、脛部、足部を一体的に履くトラウザズボンに、複数本のマッキバン型人工筋肉を伸縮自在に配設し、前記マッキバン型人工筋肉の各々に気体を給排し伸縮運動させる気体給排装置を付設したマッスルトラウザ。
気体給排装置の好ましい例は、小型コンピュータの下肢動作制御ソフトウエアにより制御されて前記マッキバン型人工筋肉を伸縮運動させる空気圧縮器と空気圧制御器から構成する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明のマッスルトラウザは、気体給排装置におけるコンピュータの制御アルゴリズムを用いた下肢動作制御ソフトウエアにより、足と一体になったズボン（トラウザ）内に埋め込んだ多数のマッキバン型人工筋肉を自由自在に伸縮することにより、人の下肢に関する色々な動作や歩行、走行、その他跳躍等人の筋肉が行う柔らかい複雑な動きを容易に可能にしたものである。
これによって人の２足の歩行機能を補助したり、歩行機能の回復に容易に活用できる。従って、超高齢化社会の高齢者の歩行機能補助や障害者の歩行機能回復に用いることが出来、又、健常人にも当然使用できるので利用可能性は極めて高いものであり発明の効果は非常に大きい。この新規発明の経済効果も今後益々増大するものと考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明において人の下肢部（足も含む）に一体的に履くトラウザズボンの好ましい形状と、装備品とその配置は、次の通りである。
１つの形態として、図２に示すように、下肢部(足も含む)、すなはち、足首、踵、脛、太腿、腰と臀部に巻きつけるタイプの各マジックバンドのついたサポータにマッキバン型人工筋肉を取り付けた装具の形態がある。又、別の形態として、図１のトラウザズボン100自体が色々な体形に合わせられ、かつズボンの形状を変えられ簡単に装着、取り外しが出来る装具の形態がある。その１例として、図１のトラウザズボン100自体がマッキバン型人工筋肉1〜10を取り付けた各サポータS1〜S9とその他の部分から構成され、色々な体形に合わせられるよう、そのトラウザズボン100を腰及び下肢部に巻きつけられるようにマジックバンドが埋め込まれており、切り開いた形状をしている装具がある。又別の例として、図２のサポータSa〜Sdからなる装具をトラウザズボンに埋め込み、取り付け、取り外しの容易な形態がある。いずれにしても、トラウザズボンはどのような体形にも合うよう且つ簡単に装着、取り外しができるような形態を持っている。人工筋肉の形状として大きな一本の円筒状もの以外にも数本の小さいエアマッスルから構成された筋状の扁平形をしていても良い。
気体給排装置の空気圧縮器は、好ましくは小型携帯用圧縮空気タンクを採用し、その材質は、FRP材或いは柔らかい新素材で形成する。空気圧制御器とそれを制御するコンピュータも小型化されたものがよい。小型携帯用圧縮空気タンクから供給された圧縮空気を、小型コンピュータと接続された小型空気圧制御器で制御し、トラウザズボンに取り付けられたセンサからのデータを基に、人工筋肉に供給される空気圧を変化させることよりそれを伸縮させ、２足歩行機能回復や補助支援を行うことができるようにトラウザには腰や肩バンドも配置されている。
携帯用小型コンピュータ、携帯用小型圧縮空気タンク、携帯用小型空気圧制御器をバンドに配置しても良いし、背中に背負うような形にしても良い。特に、高齢者の姿勢が出来るだけ曲がらないように背中に背負うような形が良い場合もある。
配置、形状に関しては姿勢の矯正による健康増進をもたらす背中に背負う形、又便利さや快適性或いは運動助長性を亢進する形状など、色々な形状が考えられる。
本発明において、トラウザズボンに埋め込むマッキバン型人工筋肉とは、次の通りである。
人工筋肉の種類として、現在、３種類ある。すなはち、導電性高分子アクチュエータ（ICPF)、高分子ゲル等は化学反応によりその長さを伸縮させるが小型で力が小さい。金属系人工筋肉（バイオメタルファイバー）は電流によりその長さを伸縮させるが小型で力が小さい。フレキシブルアクチュエータ（マッキバン型人工筋肉）は空気圧により長さを伸縮させるが、形状は任意であり、力が大きい。マッキバン型人工筋肉はゴムとメッシュ状の繊維等でできており圧縮空気を加えないとき、すなはち、空気圧が０の時の円筒の内径を１長さを１とすると、最大圧縮空気圧を加えた時その内径が大きくなり(例えば1.3)、長さが0.7となるような筋肉である。マッキバン型人工筋肉は他の２種類の人工筋肉と比べ、人の筋肉、関節を効率よく滑らかに動かすことが可能である。
本発明において、トラウザズボンへのマッキバン型人工筋肉配設形態は、次の通りである。
図１、図２に示すよう１１本のマッキバン型人工筋肉1〜10が２足歩行機能回復・補助に必要であるが、ある部位の筋肉・骨の機能回復を目的としたリハビリなどの場合には、そのうち幾つかの人工筋肉を取り除くことが出来る。
次に、図６に示すように図１と図２に示す各マッキバン型人工筋肉に名称をつける。図６では直接骨材に取り付ける図になっているが、マッスルトラウザの場合には、骨材に代わる各サポータ即ち図1ではSP1〜SP9、図2ではSa〜Sdの各々にまたがって人工筋肉の両端部を接続固定すればよい。
各マッキバン型人工筋肉の配置は、人間の場合の筋肉の配置に準じている。以下に図６で付けた人工筋肉の名称を使って、1足で1〜10の１１本の人工筋肉、２足で合計２２本の人工筋肉の必須な理由について述べる。
アキレス腱に相当する人工筋肉1’は２足歩行で体のバランスを保ったり、走行したり、跳躍したりするために必須である。足首の外側に存在する(長、短)腓骨筋に相当する人工筋肉1と足首の内側に存在する(前、後）頸骨筋に相当する人工筋肉2は体のバランスを保つのに必要な足首を内側、外側に動かす動作に必須である。人工筋肉1と2は足首を中心に足を左右に回転させる運動を行わせるために対となっている。前脛骨筋に相当する人工筋肉3は上記目的のため足先を上下に動かすために必須である。下腿三頭筋（フクラハギの筋肉）に相当する人工筋肉4は上記目的のため踵から膝を伸縮するのに必須である。大腿四頭筋に相当する人工筋肉5は上記目的のため後ろに曲げた脛を前に伸ばすのに必須である。ハムストリングスに相当する人工筋肉6は上記目的のため脛を後ろに曲げるのに必須である。人工筋肉5と6は互いに腰を中心に対をなしている。大殿筋に相当する人工筋肉7は上記目的のため、太腿を後ろに曲げるのに必須である。腸腰筋に相当する人工筋肉8は上記目的のため後ろに曲げた太腿を前に伸ばし上に上げるのに必須である。人工筋肉7と8は互いに対をなし太腿を腰を中心に前に引き上げたり下ろしたり後ろに引き上げたり下ろしたりする円運動を行わせている。中殿筋（小殿筋を含む）に相当する人工筋肉9は上記目的のため、太腿を腰を中心に外側に曲げるのに必須である。内転筋（恥骨筋を含む）に相当する人工筋肉10は上記目的のため太腿を腰を中心に内側に曲げるのに必須である。人工筋肉9と10は互いに対をなし太腿を腰を中心に左右に引き上げたり下ろしたりする円運動を行わせている。図１に示すトラウザズボンや図２に示す装具に取り付けられている人工筋肉２２本の配設形態は上記に示した配設形態と同じであり同一部分には同一符号を付す。
本発明のトラウザは、それを構成する素材が軽量で且つ携帯型であることを特徴とする装具であり、埋め込む人工筋肉の配設形態は２足がある場合は人と同じように２足歩行を行わせることによりその歩行機能回復及び補助が出来、１足又は２足がない場合は、その部分の義足に装具を装着すると２足歩行が出来るように人工筋肉を配設した構造になっており、人と同じようにスムーズな２足歩行や走行、立ったり座ったり、跳んだり跳ねたりする各種動作ができるような機能的特徴を有している。
特に、図２に示す下肢部(足も含む)に巻きつけるタイプで止具にマジックバンド（微細な弾性フック植込帯と引っかかりリング植込帯からなる）を取り付けたサポータSa〜Sdにマッキバン型人工筋肉1〜10を取り付けた装具の形態は寝たきりの人の足の骨と筋肉機能を回復保持するためのリハビリを行うのにも適している。
本発明において、下肢動作制御ソフトウエアの代表例は、次の通りである。
１００Vの電源に接続された空気圧縮器により供給される圧縮空気を空気圧制御器に供給する。その供給された圧縮空気をマッスルトラウザに配設された片足１１本、合計２２本の各マッキバン型人工筋肉に取り付けられたチューブに供給するため、チューブ側を空気圧制器に接続する。下肢部の動作を制御するため、USBで空気圧制御器に接続されたコンピュータで２２本のチューブから供給されるマッキバン型人工筋肉の圧縮空気の圧力をバルブの開閉角度を変え制御する。バルブの開閉角度は０V−５V（０−１２５の数値に相当）までの電圧で変えることが出来る。０Vは空気圧が０，５Vは安全な最大空気圧に相当する。
下肢の一部である右脛を伸縮する動作を行うためには、コンピュータよりハムストリングスに相当する人工筋肉6に任意圧の圧縮空気を加え人工筋肉を縮小し脛を後ろに曲げる。その状態から脛を元に戻すため人工筋肉6の空気圧を０にする。これを繰り返すと脛を曲げたり伸ばしたりする伸縮運動制御パターンを作り出すことが出来る。
他の複雑な動作、例えば、２足の屈伸、足踏み、歩行等の動作も上述のように全ての人工筋肉を同時に制御することにより、コンピュータでそれぞれの制御パターンを生成できる。
空気圧縮器と電源を小型携帯用圧縮空気タンク、空気圧制御器を携帯用空気圧制御器で置き換えればマッスルトラウザは携帯用になる。携帯用の人工筋肉制御の基本ロジックは、携帯用でない場合と全く同じである。
２足歩行を行うための各マッキバン型人工筋肉２２本の伸縮運動パターンは上述の脛の伸縮パターンよりもさらに複雑になるが、その伸縮パターンについては、特願2004-198467ヒューマノイドロボット（ 2004.7.15）に詳細に示している。
各２２本の人工筋肉の伸縮プログラムを基にし、人の足の機能特性を取り込んで、２足歩行機能を回復したり、２足歩行機能補助を行う制御パターンを生成し実行することが出来る。又、上記特願2004-198467の人工筋肉伸縮パターンは、下肢がない人の２足歩行装具の制御法として用いることが出来る。
【実施例１】
【０００７】
本発明の実施例を図1〜図5と共に詳述する。
図1に、人の下肢部を動かす複数の前記の人工筋肉１〜10を埋め込んだマッスルトラウザ100を示し、図３に人工筋肉を自由自在に伸縮するための空気圧縮器401、空気圧制御器402、電源403、圧力センサー等の各種センサー（図示せず）、上記人工筋肉の動作や運動を可能にする制御ソフトウエアを組み込んだコンピュータ404からなる制御システムを示す。
２足歩行機能補助用具と２足歩行機能回復用具のシステムは同じであるが、機能補助用具は人が用具を着用し移動可能にするため、空気圧縮器401と電源403と、小型軽量の携帯用圧縮空気タンク、空気圧制御器402を小型軽量の携帯用空気圧制御器、コンピュータ404を小型のワンボードマイコンまたはワンチップマイコンに取り替えることが好ましい。歩行機能回復ではどちらでも良い。
図１には、SAにズボン片S1〜S9を連結して構成したトラウザ100の正面を示し、Ａにズボン片S1〜S9に複数の前記名称の人工筋肉1〜10を取り付けて埋め込んだマッスルトラウザ100の正面図を示し、Ｂにその背面図を示し、Ｃに着用時正背面図を示し、Ｄに複数の人工筋肉1〜10を埋め込んだマッスルトラウザ100の右側面外側図を示し、Ｅにその右側面内側図を示し、Ｆに着用時側面図を示す。
トラウザ100にはゴムまたは新素材などが埋め込まれている。
図２に前記した複数の人工筋肉１〜10を配置した装着用具を示す。この装着用具を図示していないトラウザの表面と裏面の間に埋め込んでも良いし、そのまま、通常のトラウザ風衣類或いは体に直接着用しても良い。図２には人工筋肉１〜10とそれらを接続保持する巻付式で止具にマジックバンド（微細な弾性フック植付帯とリング式引掛かりリング植付帯との組合体）を取り付けたサポータSa〜Sdと人工筋肉1〜10のみ示す。サポータSa〜Sdは腰部用Sa、大腿部用Sb、脛部用Sc、足首部用Sdからなり軽量柔軟で高強度な素材（金属等を含む）からなる。
図４にコンピュータ404に表示の制御ソフトウエア画面例を示す。
図４の制御ソフトウエアは、図１に示す複数の人工筋肉1〜10の11本の空気チューブを図３に示す空気圧制御器402に接続し、各種制御信号を空気圧制御器402に出し、装着用具そのもの、それを埋め込んだマッスルトラウザ100、該トラウザ100に埋め込んだ人工筋肉1〜10の各部を自由自在に伸縮操作して、各種動作や歩・走行、跳躍などの運動の補助を行わせる。
健常者の各種動作や歩走行、跳躍などの機能補助用具として用いる場合と高齢者・障害者の歩行機能回復用具としてもちいる場合の制御ソフトウエアは異なるがそれぞれの制御ソフトウエアが組み込まれている。
図１において、トラウザ100の正面の片方に３本合計６本の人工筋肉が膝関節、足首関節、股関節が動くように配置され、点線の部分にサポータが埋め込まれている。勿論サポータは長時間の２足歩行を行っても健康や不愉快感を与えず、快適感を与えるような物が用いられている。又図１に示されているように背面の片方に４本合計８本、側面の片方に４本合計８本の人工筋肉が膝関節、足首関節、股関節が動くように配置され、点線の部分は正面のサポータの部分である。トラウザの人工筋肉数は２２本である。勿論、複雑な動きを実現する要求がある場合はさらに人工筋肉数を増やすことも可能である。なお、図１に示されている２本の支持バンドはトラウザを肩で支える為にある。当然他のタイプの支持バンドB1、B2を用いても良い。図２は複数の人工筋肉を配置した装着用具の形態をしめす。用いる素材は色々なものを用いてよい。機能は図１と本質的には同じであるが、用途は若干異なる。
＜実験例＞
実際に、人の代わりに、２足歩行ヒューマノイドロボットを用いて実験を行い、色々な動作を行わせた結果、マッスルトラウザの独創性、新規性があり、産業上の効果が非常に大であることが確認できた。又、人が着用し人工筋肉を伸縮させ足の動きを補助する簡単な実験を行った結果その有用性が確かめられた。
図５にコンピュータ404に表示した簡単な屈伸プログラムの１例の実行画面を示す。この実行画面で「ホームポジション実行」(ホームポジションも幾通りもあるがここでは1つのホームポジション)ボタン501をクリックするとヒューマノイドロボットに装着した図１及び図２に示す2足歩行の人工筋肉が伸縮し、立った状態になり、「屈の実行」ボタン502をクリックするとホームポジションの状態の人工筋肉の圧力から伸縮し屈、すなわち、しゃがんだ状態になる。再び、「ホームポジション実行」ボタン501をクリックすると、立った状態になる。それぞれのボタンを1回ごとにクリックすると屈伸を繰り返す。又図５には「圧(圧空)を抜く」のボタン503もあるが、このボタンをクリックすると人工筋肉の供給圧力が零となり、人工筋肉が伸びた状態になる。人の場合も同じである。
ここには示していないが各種動作や、足踏み、歩行、走行、跳躍運動も同様に制御プログラムで人工筋肉の圧をかえ伸縮することによりして行える。図５の屈伸プログラムや各種動作や運動の制御プログラムについての説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【０００８】
本発明は、複数の人工筋肉を埋め込んだ足と一体になったズボン（トラウザ）の人工筋肉を自由自在に伸縮することにより、従来の歩行補助やリハビリ用具では得られなかった柔らかく優しい歩行動作を可能にし、更に下肢行動範囲に制限がない点で広範に用いられ人の生活を快適にし、産業上の新しいブレークスルーをもたらすなど優れた効果を得ることが出来る。
本技術の産業上の利用分野としては、幾つかの例として次のような分野が考えられるが、これら以外にも利用分野は多数考えられる。
（１）2足歩行機能補助により人の生活を支援する分野や福祉分野
（２）疾病後の１足または２足の機能回復により運動機能を回復する分野
（３）ホームランドセキュリテイ分野、防衛分野
（４）サービス分野、案内業務分野、娯楽分野、その他色々な分野
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】複数の人工筋肉を埋め込んだズボン（トラウザ）（各種センサー省略）
【図２】複数の人工筋肉を配置した装着用具
【図３】人工筋肉伸縮制御システム構成図
【図４】コンピュータ404に表示の制御ソフトウエア画面例
【図５】コンピュータ404に表示した屈伸プログラムの１例の実行画面例
【図６】人工筋肉を直接骨材に取り付けた各面からの説明図である。
【符号の説明】
【００１０】
１〜10    チューブ式の人工筋肉
100       マッスルトラウザ
401       空気圧縮器
402       空気圧制御器
403       電源
404       コンピュータ
S1〜S9    サポータ
Sa〜Sd    サポータ
B1、B2    支持バンド
1'        アキレス腱
1          (長、短)腓骨筋
2          (前、後）頸骨筋
3          前脛骨筋
4          下腿三頭筋（フクラハギの筋肉）
5          大腿四頭筋
6          ハムストリングス
7          大殿筋
8          腸腰筋
9          中殿筋（小殿筋を含む）
10          内転筋（恥骨筋を含む）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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