(57)【要約】基部（１０）に付随し、基部に対して可動回転点（１３）周りで回転可能な可動腕部（１１）を補助するために、力平衡を行う補助具（４）は、可動腕部に接続可能かつ少なくともその位置が基部留め具（４２）に対して移動可能である回転中心（４３）周りで回転可能な腕部留め具（４１）を備える。補助具は、腕部留め具から距離をおいた基部留め具（４２）を用いて基部に取り付け可能である。補助具は、可動腕部に連結されたときに可動腕部によって腕部留め具（４１）へ加えられる力を基部留め具へ伝達するカンチレバー機構（４４）を有する。カンチレバー機構は、基部留め具に取り付けられた固定端部（４５）と、腕部側の、可動式の、例えば適度に撓んでいる自由カンチレバー端部（４４）、とを有する。腕部留め具は自由端部で基部留め具に対して吊り下げられている。【選択図】図２
2019535546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力平衡を行う可動腕部用の補助具であって、前記可動腕部は基部に付随するものであるとともに前記基部に対して移動可能な可動回転点周りに回転可能であり、前記補助具は：
前記稼働腕部に接続可能な腕部留め具と；
前記補助具を前記基部に取り付けるための、前記腕部留め具から距離をおいた基部留め具と；
を備えており、
前記腕部留め具は少なくとも、その位置が前記基部留め具に対して移動可能な回転中心周りで前記基部留め具に対して回転可能であり；
前記可動腕部へ連結されたときに前記可動腕部によって前記腕部留め具に加えられる力を、少なくとも部分的に前記基部留め具を介して基部に伝達するための、カンチレバーバネ機構が設けられており、
前記カンチレバーバネ機構は、
前記基部留め具に取り付けられており、その位置が前記基部留め具に対して固定されている、基部側の固定カンチレバー端部と、
少なくとも前記カンチレバーバネ機構の所定の撓みによって、そして前記腕部留め具が前記基部留め具に対して吊り下がって保持されていることによって基部留め具に対して移動可能な、腕部側の自由カンチレバー端部と、
を有し、
前記回転中心の位置は少なくとも部分的に前記自由カンチレバー端部の位置に依存し、前記自由カンチレバー端部の位置は少なくとも部分的に前記腕部留め具の位置によって決定されること
を特徴とする補助具。
【請求項２】
前記カンチレバーバネ機構によって前記腕部留め具に加えられる相殺力の大きさが、前記カンチレバーバネ機構の撓みの大きさによって決定される、請求項１に記載の補助具。
【請求項３】
前記腕部留め具の前記回転中心が、前記カンチレバーバネ機構の外側にある、請求項１または請求項２に記載の補助具。
【請求項４】
前記腕部留め具の前記回転中心が、前記カンチレバーバネ機構の前記基部側のカンチレバー端部および前記自由カンチレバー端部から距離をおいている、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項５】
前記カンチレバーバネ機構が、前記腕部留め具の前記回転中心周りで湾曲している、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項６】
前記腕部留め具の前記回転中心が、前記カンチレバーバネ機構が延びる平面の外側にある、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項７】
前記基部留め具を前記カンチレバーバネ機構に連結するフレームを備え、前記フレームは前記カンチレバーバネ機構よりも剛性が高い、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の力平衡を行う補助具。
【請求項８】
前記腕部留め具が前記自由カンチレバー端部から距離をおいている、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項９】
前記カンチレバーバネ機構が、前記基部側のカンチレバー端部と前記自由カンチレバー端部との間に延びる板バネといった連続的カンチレバーバネを備える、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項１０】
前記カンチレバーバネ機構が予備負荷をかけられている、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項１１】
前記カンチレバーバネ機構が予備負荷をかけられており、
互いに距離を置いた２点で前記カンチレバーバネ機構へ直接的または間接的に取り付けられたストラップを備え、前記ストラップは前記カンチレバーバネに予備負荷をかけるために結び付けることができる、請求項９に記載の補助具。
【請求項１２】
前記腕部留め具が前記自由カンチレバー端部から距離をおいていて、
前記腕部留め具が剛性のアームによって前記自由カンチレバー端部に取り付けられている、請求項１１に記載の補助具。
【請求項１３】
前記腕部留め具が、
前記回転中心に設けられ、前記カンチレバー機構に取り付けられたヒンジ機構と；
前記回転中心とは離れている腕部レストと；
前記腕部レストと前記ヒンジ機構とを接続する腕部部材と；
を備え、
前記ヒンジ機構が、前記腕部部材を旋回させるための少なくとも１つの旋回軸を有する、
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項１４】
前記腕部留め具が、前記回転中心に設けられ、前記カンチレバー機構に取り付けられたヒンジ機構と、前記回転中心とは離れている腕部レストと、前記腕部レストと前記ヒンジ機構とを接続する腕部部材と、を備え、
前記ヒンジ機構が、前記腕部部材を旋回させるための第１の旋回軸と、前記第１の旋回軸に対して直角といった角度をなす第２の旋回軸とを有し、前記剛性のアームが前記ヒンジ機構を前記自由カンチレバー端部に対して固定する、請求項１２に記載の補助具。
【請求項１５】
前記旋回軸に対する前記腕部レストの位置が調節可能である、請求項１３または請求項１４に記載の補助具。
【請求項１６】
前記カンチレバーバネ機構が、一連の個別カンチレバーバネ要素を含む、請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項１７】
前記カンチレバーバネ機構が、前記自由カンチレバー端部と前記固定カンチレバー端部との間で前記カンチレバーバネ機構の長さにわたって変化するばね特性を有する、請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項１８】
前記回転中心が、前記基部留め具に対して以下の少なくとも１方向に移動可能である、請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の補助具：
前記腕部留め具から前記基部留め具までの長手方向；
前記長手方向に対して垂直な左右方向；
前記長手方向および前記左右方向に垂直な横断方向。
【請求項１９】
前記カンチレバーバネ機構が、前記長手方向、前記左右方向、前記横断方向のうちの少なくとも２方向に撓むことができる、請求項１８に記載の補助具。
【請求項２０】
前記自由カンチレバー端部が、前記カンチレバーバネ機構の所定の捻じれによってさらに移動可能である、請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の補助具。
【請求項２１】
前記カンチレバーバネ機構が捻じりバネ特性を示し、弾性的に捻じれることができる、請求項２０に記載の補助具。
【請求項２２】
機械装置であって、
可動腕部と基部を備え、前記可動腕部は前記基部に付随するものであるとともに前記基部に対して移動可能な可動回転点周りで回転可能であり、
さらに、前記腕部および前記基部と連結されており前記可動腕部によって前記腕部の回転点へ加えられる力を少なくとも部分的に相殺する請求項１ないし請求項２１のいずれか１項に記載の補助具を備えている、機械装置。
【請求項２３】
前記基部に対する前記回転点の位置が、前記基部に対する前記可動腕部の向きに少なくとも部分的に連動している、請求項２２に記載の機械装置。
【請求項２４】
前記腕部を前記基部に対して移動させるための能動アクチュエータを備える、請求項２２または請求項２３に記載の機械装置。
【請求項２５】
装着式の補助装置であって、動物に装着可能であり、
この装置を動物の身体に取り付けるためのハーネスと、
動物の腕状肢部によってその回転点へ加えられる力を身体の他の部位に伝達し、この伝達を前記回転点と身体の前記他の部位との間の身体の部位を迂回しながら行うための、請求項１ないし請求項２１のいずれか１項に記載の補助具と、
を備える、装着式の補助装置。
【請求項２６】
身体が対称的であり、その身体の対称軸の両側にそれぞれ備えられた２つの補助具を有し、これらは動物の各腕状肢部に接続可能なそれぞれの腕部留め具を支持する、請求項２５に記載の装着式の補助装置。
【請求項２７】
身体の前記他の部位が胴体の一部である、請求項２５または請求項２６に記載の装着式の補助装置。
【請求項２８】
動物が人間であり、身体の前記他の部位が、肩部、胸部、体幹部、臍部、からなる群の少なくとも１つより下方の身体下部である、請求項２５ないし請求項２７のいずれか１項に記載の装着式の補助装置。
【請求項２９】
身体の前記他の部位が、椎骨下方の背側部であり、前記椎骨は、Ｃ７、Ｔ１２、Ｔ１１、Ｔ１０、Ｔ９、Ｔ８、Ｔ７、Ｔ６、Ｔ５、Ｔ４、Ｔ３、Ｔ２、Ｔ１、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３からなる群から選択される、請求項２５ないし請求項２８のいずれか１項に記載の装着式の補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動腕部のために力平衡を行う補助具に関する。本発明はまた、こうした力平衡を行う補助具を利用する機械装置および装着式の補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可動腕部、例えば人間の腕部のために力平衡を行う補助具が知られている。こうした補助具は例えば外骨格や装具に用いられ、腕部の一部や、上背部などの腕部を支える身体の部位に作用する力、例えば重力を補正するために用いられる。
【０００３】
図１および図２によると、装着式の補助装置の人間ユーザ１が肉体作業を実行していることが示されており、この例では、アングルグラインダなどの工作機器２を使用していて、これは人間の腕部１１の片方または両方の、身体１０に対する複雑な動きを引き起こす。図示されているように、重力Ｆｇおよびその他の力、例えば矢印Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚで示されているような、工具２によって加えられる力は、腕部１１に作用し、それゆえユーザを直立状態に維持しながら身体１０の部位に伝達される。したがって、これらの力は筋骨格、例えば肩部、上背部、下背部に負荷をかける。
【０００４】
こうした負荷は悪影響を及ぼす可能性がある。特に、長時間の、あるいは反復的な、正面や頭上での作業は、肩部や背中の疾患や怪我を招くことが多いという、よく見られる問題がある。頭上型のツールバランサは多少の軽減を行うが、スペースが限られているなどといった多くの状況では実用的ではない。さらに、作業者は依然として作業中に腕部を上げた状態を維持しなければならず、その行為自体が面倒であり、長期間にわたって筋骨格系の損傷を招く可能性がある。軽減の支援を行うために、装着式の外骨格が多く開発されているが、これらにはいまだいくつかの制約がある。
【０００５】
例えば、特許文献１から、相殺力を提供する装置が知られている。この装置は、腕部アセンブリが取り付けられている剛性フレームを備えており、これを使用者が着用して釣り合わせの力を使用者の腕部に与えることができる。このフレームは、腕部アセンブリの剛性の第１腕部部材をフレームに対し旋回可能に接続する第１の旋回点を備える。腕部アセンブリは、剛性の第２腕部部材と、第２腕部部材を第１腕部部材に接続する第２の旋回点とをさらに備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１４／２００３４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、この補助具および他の既知の補助具の難点は、これらが可動腕部に運動の自由度を十分には与えないことである。この難点は、補助具の種類に応じて、重量平衡化補助具の駆動および例えば相殺力の提供を行う電動機または他の能動アクチュエータによってこうした運動が制限されるために生じることがある。
【０００８】
可動腕部のための運動の自由度の欠如は、補助具の機械的構造によっても生じることがある。例えば、上記文献では、第１腕部部材が第１の旋回点を中心に回転するときに第２の旋回点が旋回するが、運動の種類が回転運動に限定されるとともに、ユーザの背中に平行な、剛性フレーム上の第１の旋回点によって定められる第１腕部部材の回転面に束縛される。したがって、装置によって支持される腕部の運動も同様に制限され、曲げや胴体のねじれといった複雑な動きは、可能であるとしても困難である。
【０００９】
この運動の自由度の制限は、補助具が人間の腕部用のものである場合だけでなく、より一般的には、ロボットまたは他の動力式または非動力式の機械装置といった他の種類の、複雑な運動が可能であることが必要な可動腕部においてもあてはまる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、添付の特許請求の範囲に記載されるような力平衡を行う補助具、機械装置、および装着式の補助装置を提供する。
【００１１】
本発明の特定の実施形態は従属請求項に記載されている。
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して明らかになり、説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明のさらなる詳細、態様および実施形態は、図面を参照しながら、ほんの一例として説明される。図面においては、同種のまたは機能的に類似の要素を識別するために同種の参照番号が使用されている。図面中の要素は、簡素かつ分かり易く示されたものであり、必ずしも正確な寸法で描かれたものではない。
【図１】装着式の補助装置の一例を装着している人間の使用者の斜視図を概略的に示した図であり、腕部の動きおよび装着式の補助装置の使用法を示している。
【図２】装着式の補助装置の一例を装着している人間の使用者の斜視図を概略的に示した図であり、腕部の動きおよび装着式の補助装置の使用法を示している。
【図３】人間の胴体の側面図を概略的に示した図であり、身体に対する腕部の向きに応じたものとしての腕部の回転中心の動きを示している。
【図４】力平衡を行う補助具の実施形態の一例を備えた装着式の補助装置の実施形態の一例の側面図を概略的に示す図。
【図５】図４の例の背面図を概略的に示す図。
【図６】図５の例の正面図を概略的に示す図。
【図７】力平衡を行う補助具の実施形態の第２の例の側面図。
【図８】第２の例に適した個別のカンチレバーバネ機構の一例の背面図。
【図９】装着式の補助装置の他の例を装着している人間の使用者の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下においては、本発明の基礎概念の理解および把握のため、そして本発明の内容が曖昧になったりその内容から逸脱したりしないように、上記にて説明されたような必要と考えられるものよりも多くのことについては詳細を説明しない。
【００１４】
「背景技術」の節で述べたように、既知の装着式の補助装置は、運動の自由度が限られており、複雑な運動に追随することができない。図１，図２において、例えば、作業を実行するとき、ユーザ１の上腕１２はその回転点１３、すなわち肩関節１３を中心に回転するだけではなく、肩部１４、上背部１５、および下背部１６の複雑な動きを経て、肩関節１３の回転中心が例えばユーザの腰部に対して動く。
【００１５】
図４〜図６でより詳細に示されるように、図１，図２の例におけるユーザ１は、身体的不快感を受けやすい身体の部分への筋骨格負荷を軽減する装着式の補助装置３が与えられている。より具体的には、装着式の補助装置３は、腕部１１が身体に接続する点、すなわち肩関節、と身体の他の部位、この例では腰部１７、との間で、身体部位の筋骨格構造を迂回しながら、負荷の少なくとも一部を腕部１１から身体１０の別の部位に伝達する。装着式の補助装置は、腕部が身体の矢状面内で上方へ動かされるにつれて上方へ移動するという、人間の肩部の生物学的動きに追随することを可能にする。これにより、長期間の使用にわたっての不快感が軽減されるだけでなく、複雑さも軽減され、装置はより商品化に適したものになる。
【００１６】
これについて、図４〜図６の例を参照してより詳細に説明する。これらの図に示されている装着式の補助装置３は、可動腕部用の力平衡を行う補助具４を備えている。図１、図２の例では、力平衡を行う補助具は人間の腕部に使用されているが、力平衡を行う補助具は任意の種類の可動腕部と共に使用することができ、特に基部に付随しており基部（例えば人間の下半身）に対して移動可能な可動回転点（例えば肩関節）周りに回転可能な可動腕部に適することは明らかである。したがって、力平衡を行う補助具は、人間以外の動物用の装着式の補助装置に用いられたり、あるいはロボットなどの機械的装置における可動腕部を補助するために用いられたりできる。具体的には、補助具４の使用は、基部に対する回転点の位置が基部に対する可動腕部の向きに少なくとも部分的に連動している場合に特に有用である。図３は、一例として、腕部が回転されて例えば上方へ向けられたときに人間の腕部１１の回転点１３がどのように動くかを示しており、特に、上腕が下向き（図３ａ）から、水平方向（図３ｂ）すなわち基部から回転点までの長手方向と垂直になり、鉛直方向に上向き（図３ｃ）すなわちこの長手方向の延長方向へ少なくとも部分的に向けられる場合を示している。
【００１７】
図４〜図６に示すように、補助具４は、可動腕部に接続可能な腕部留め具４１を備える。補助具４は、腕部留め具から離れた位置に、補助具４を基部に取り付けるための、基部留め具４２を備える。腕部留め具４１は少なくとも、その位置が基部留め具４２に対して移動可能である回転中心４３周りに回転可能である。
【００１８】
この可動性をもたらすために、補助具４の図示された例は、カンチレバーバネ機構４４を備えており、これは使用時に、可動腕部へ連結されたときに可動腕部によって腕部留め具４１に加えられる力を、基部留め具４２を介して基部へ少なくとも部分的に伝達する。この力はカンチレバーバネ機構４４を介して伝達されるので、可動腕部を基部へと接続する部位は迂回される。したがって、そうした部位への負荷が軽減される。人間または人間以外の動物の場合、これは筋骨格負荷および関連する身体的不快感を軽減することを可能にする。例えばロボットや他の機械装置の場合は、これにより、腕部を基部に対して能動的に動かす能動アクチュエータ、例えば電動機や他の原動機などに対する機械的動力要件の緩和が可能となる。
【００１９】
カンチレバーバネ機構４４は、基部側の固定カンチレバー端部４５と、腕部側の自由カンチレバー端部４６とを備える。固定カンチレバー端部４５は基部留め具４２に取り付けられ、その位置は基部留め具４２に対して固定されている。腕部側の自由カンチレバー端部４６は、少なくともカンチレバーバネ機構４の所定の適度な撓みによって、基部留め具に対して移動可能である。図示のように、腕部留め具４１は、自由端部４６によって基部留め具４２に対して吊り下げられている。回転中心４３の位置は少なくとも部分的に自由カンチレバー端部４６の位置に依存し、自由カンチレバー端部の位置は少なくとも部分的に腕部留め具４１の位置によって決定される。
【００２０】
腕部留め具４１が可動腕部に連結されていれば、可動腕部が腕部留め具を変位させ、それにより自由カンチレバー端部４６の位置ひいては回転中心４３の位置の変化をもたらすので、カンチレバーバネ機構は腕部の複雑な動きに追従することを可能にする。
言い換えれば、力平衡を行う補助具４は、その基部が機械的な「基礎」（例えば、人間の場合は胴体）に取り付け可能であり、自由端部が回転ヒンジを介して腕部留め具に接続される可撓性フレーム（またはカンチレバーバネあるいは体形状バネ）を構成する。
【００２１】
カンチレバーバネ機構４４がエネルギーを蓄積するだけでなく、腕部の回転点の動きに追随しながら、可動腕部と基部との間の構造を迂回して負荷を直接的に基部へと伝達することを可能にすることが明らかであろう。
【００２２】
本発明はこれに限定されるものではないが、これは、生物の腕部、特に図３に示されているような、腕部が身体の矢状面内で上方に動くにつれて肩部が上方に動く人間の腕部の力平衡を行う場合に特に有益である。これにより、長期間の使用にわたっての不快感が軽減されるだけでなく、複雑さも軽減される。
【００２３】
カンチレバーバネ機構によって腕部留め具に加えられる相殺力の大きさは、カンチレバーバネ機構の撓みの大きさによって決定される。したがって、腕部留め具４１が変位したとき、すなわち腕部留め具へ作用する力によって撓みの大きさが中立位置と比べて増加または減少したとき、カンチレバーバネ機構は回転中心、ひいては腕部に相殺力を与え、そこにかかる負荷を低減する。
【００２４】
カンチレバーバネ機構の様々な形状および実装が可能であることは明らかであろう。例えば、この実施例においては、カンチレバーバネ機構は、基部側のカンチレバー端部４５と自由カンチレバー端部４６との間に延びる連続的カンチレバーバネを備える。本実施例では、これは板バネまたはリーフバネであり、これにより限られた数の機械部品でコンパクトな支持具を設けることができる。 
【００２５】
さらにこれにより、カンチレバーバネ機構のバネ特性を簡単な方法で調整することが可能になり、例えば、局所的に剛性を増加あるいは低減するために自由カンチレバー端部と固定カンチレバー端部との間で板ばねの厚さをその長さにわたって変化させたり、リードバネを弱くするために局所的な脆弱部（例えば穴または空洞）を導入したり、より良いフィット感と望ましい出力特性を得るために負荷の軸外方向の変位／曲率を制御したりあるいは身体の周囲でバネを湾曲させたり、といった方法がある。
【００２６】
しかしながら、カンチレバーバネ機構は同様に、互いに弾性的に連結された一連の梁またはプレートといった一連の個別カンチレバーバネ要素を含んでもよい。こうした場合、バネ特性は、個々の部材（の間の連結）の剛性を変化させることによって、その長さにわたって調節することができる。 
【００２７】
図６を参照すると、図示の実施例は、例えば一連の個別カンチレバーバネ要素６０が、この例ではカンチレバーバネ機構の長手方向に垂直な旋回軸６３の周りに旋回ジョイント６２によって回転可能に接続される複数のプレート６０が、固定端部４５から自由端部４６まで設けられている。図８でより明確に示されるように、この例では、ジョイントは、捻じりバネとして動作し、要素６０が直接隣接する要素に対して旋回されたときに反力をもたらすコイルばねを備えている。カンチレバーバネ機構の撓みを調節するために、別々のジョイントに別々のバネ定数を有するバネを使用することができることは明らかであろう。
【００２８】
図７および／または図８に示すように、力平衡を行う補助具４は、回転中心４３を中心に回転することができる腕部留め具４１を備える。図４〜図６の例のように、腕部留め具４１は、自由カンチレバー端部４６から回転中心４３に向かって突出する剛性アーム４８によって自由カンチレバー端部４６に取り付けられている。
【００２９】
図４〜図６に示すように、腕部留め具４１は、腕部留め具４１から離れて回転中心４３からレバー端部５３まで延びるレバーアームに取り付けられている。レバーアームを介して、レバー端部５３を基部留め具に連結する部材によって、腕部留め具４１にトルクを加えることができる。図示の例では、ストラップ５０がレバーアームおよび基部留め具に取り付けられているが、レバーを基部留め具または基部に取り付ける他の可撓性の弾性部材または非弾性部材、例えばコイルバネが、トルクを加えることに用いられてもよいことは明らかであろう。より具体的には、可動腕部３が移動すると、これにより、レバーアームが取り付けられている旋回点を中心に回転中心の旋回が生じ、したがって自由端部４６にトルクが作用し、これが次いで回転中心にトルクを作用し、腕部留め具ひいては可動腕部に加えられる力を少なくとも部分的に相殺する。
【００３０】
こうしてレバーアームは、回転および／または並進、例えば線型要素の複雑な動きを可能にする旋回システムを提供する。特に、レバー端部５３は、腕部留め具の複雑な動きを可能にして力を補正する、回転中心の旋回点と結びついたピボット点をもたらす。よって補助具は、この例では腕部留め具４１およびレバーアームによって形成され、少なくとも２つのピボットを備えた腕部アセンブリを有し、そのうちの一方は自由端部４６を連結するために使用され、他方は例えばストラップを用いて機械的「基礎」、この例では基部留め具４２または基部に取り付けられる。
【００３１】
ストラップがトルクを加えると、腕部アセンブリとしての可撓性フレームは、可撓性フレームに蓄積されたエネルギーが最小となる位置として定義される静止位置から変位する。
【００３２】
図示の例では、レバーアームは、ピボット端部５３のピボットを介して基部留め具の点５４に連結している。
【００３３】
予備負荷ストリング５０が剛性アームおよびそこから距離を置いた位置にある要素に取り付けられて、予備負荷をかけ、これによりカンチレバー機構を撓ませる。この例では、予備負荷ストリング５０が要素に取り付けられている点に対する回転中心４３の距離を予備負荷ストリング５０が好適に固定し、以ってカンチレバーバネ機構が回転中心にトルクをかけることを可能にして可動腕部によって加えられるトルクを相殺することを可能にするヒンジ点を作り出すことは明らかであろう。
【００３４】
図８において矢印６１で示すように、要素６０は、長手方向および第１の旋回軸に垂直な別の軸の周りで旋回可能であるとよく、これにより追加の自由度をもたらし、腕部の形態および運動へのさらなる適応性が提供される。
【００３５】
カンチレバーバネ機構が特定の実装に適した任意の形状を有してもよく、回転中心が特定の実装に適した任意の位置にあってもよいことは明らかであろう。
【００３６】
例えば、回転中心は、腕部留め具から基部留め具への長手方向、長手方向に対して垂直な左右方向、長手方向および左右方向に対して垂直な横断方向、のうちの少なくとも１つにおいて基部留め具に対して移動可能である。これにより、腕部の複雑な動きにとって適切な運動の自由度が得られる。
【００３７】
例えば、カンチレバーバネ機構は、長手方向、左右方向、横方向のうちの少なくとも２方向に撓むことが可能であるとよい。これにより、運動の自由度が簡単な方法で得られ、別々の方向からの力が効率的に伝達される。さらに、自由カンチレバー端部は、カンチレバーバネ機構の所定の適度な捻じりによって移動可能であるとよい。例えば、カンチレバーバネ機構は捻じりバネ特性を示すものであるとよく、弾性的に捻じれてもよい。これにより追加の自由度が得られる。
【００３８】
図４〜図６の例では、腕部留め具の回転中心はカンチレバーバネ機構の外側にあり、すなわちこれは仮想回転中心である。腕部留め具４１の回転中心４３は、カンチレバーバネ機構の基部側のカンチレバー端部４５および自由カンチレバー端部４６から距離を置いている。これにより、回転中心の運動に大きな自由度が生じる。
【００３９】
より具体的には、この例では、カンチレバーバネ機構は、腕部留め具４１の回転中心４３の周りに湾曲している。これはカンチレバーバネ機構が迂回するべき部位から十分に距離を空けて、カンチレバーバネ機構がそれらの部品に接触して直接力を加えることを回避するように、回転中心を位置させることを可能にする。その曲率は、可動腕部と身体との間の関節がその湾曲部にフィットするようなものであると好ましい。これにより、カンチレバーバネ機構４４は可動腕部の動きについて著しい自由度を保持する。この例では、図１、図２でより明確に見られるように、人間の肩部はこの湾曲部の内側に収まり、人間の肩部の回転中心はバネの曲率中心とほぼ重なる。
【００４０】
しかしながら、回転中心がカンチレバーバネ機構上に位置してもよいことは明らかであり、例えば板バネの場合、基部留め具４２と回転中心４３との間の方向を回転中心を越えて延びる代わりに、バネは基部留め具４２と回転中心４３との間に延びてもよく、人間によって使用されている場合は例えば脇の下を通過する。図９は、例えば、カンチレバーバネ機構４４が使用者の肩部１４を越えて延びるのではなく、固定端部４５と自由端部４６との間で使用者の身体１０の後部に延び、回転中心が自由端部４６と一致する実施形態を示す。図示のように、この例において、腕部１１の動きは、２つの端部４５、４６を互いに近づけ、そしてカンチレバーバネ機構４４の湾曲を増大させる。プリテンショナー５０、例えばストラップは、自由端部４６を曲率中心の反対側で固定端部４５に接続し、腕部１１によって加えられる力に対抗する予備負荷の力を提供する。
【００４１】
より明確に図５および図６に示すように、腕部留め具の回転中心は、カンチレバーバネ機構が延在する平面Ｌ１の外側にあってもよい。これにより、可動腕部と身体との間の関節を受け入れる空間が形成され、腕部留め具４１の回転中心４３の移動と可動腕部の回転点との間の良好な対応が得られる。
【００４２】
カンチレバーバネ機構は、例えば直接的または間接的に、特定の実施形態に適した任意の方法で基部留め具および腕部留め具に連結することができる。例えば図４〜図６の例では、力平衡を行う補助具４は、基部留め具４２をカンチレバーバネ機構４４に連結するフレーム４７を備える。フレーム４７はカンチレバーバネ機構よりも剛性が高い。この例では、フレームは、身体部位に高度の堅さ、ひいては追加の補助をもたらすことができ、カンチレバーバネ機構が自由に撓む代わりに、それらの部位を押圧してそこに力を加えることを回避する。
【００４３】
図４〜図６において、腕部留め具４１は自由カンチレバー端部４６から距離をおいている。腕部留め具４１は、自由カンチレバー端部４６から回転中心４３に向かって突出する剛性アーム４８によって自由カンチレバー端部４６に取り付けられている。これにより、腕部留め具４１と剛性アーム４８との間の回転または旋回ジョイントによってもたらされる回転中心は、可動腕部の回転点の近くに位置することができ、よってそれらの運動の間で良好な対応が得られる。これに関して、右腕部は、図５および図６でより明確に示されるように、カンチレバーバネ機構が広がる平面Ｌ１から突出してもよく、これは補助具のコンパクトな設計を可能にする。
【００４４】
カンチレバーバネ機構４４は予備負荷をかけられていてもよい。それによって、回転中心の初期位置は、所望のように整列されることができ、例えば、人間肩部の身体に整列するようになり、以って回転中心と腕部の回転点との間の対応を改善する。特にリーフバネの場合には、これにより、複雑な動き、例えば人間の肩部の自然な動きに追随することに対する効率的な力の釣り合わせをもたらす機械的に単純な構造が可能になる。
【００４５】
予備負荷は任意の適切な方法で実施することができるが、簡単で効果的な予備負荷を、互いに離れた２点でカンチレバーバネ機構に直接的または間接的に取り付けられ、カンチレバーバネに予備負荷をかけるように結び付けられているストラップ５０によって与えることができる。
【００４６】
腕部留め具４１は、基部留め具に対して少なくとも回転可能であるように、特定の実施形態に適した任意の方法で実装することができる。
【００４７】
図４〜図６に示す例では、例えば、腕部留め具は、回転中心に位置しており、カンチレバー機構に（この例では剛性アーム４８を介して）取り付けられたヒンジ機構５１を備える。腕部部材５２を介して、腕部レスト４９がここに接続されている。
【００４８】
ヒンジ機構５１は、腕部部材５２を旋回させるための１つ以上の旋回軸７１、７２を有する。ヒンジ機構は、第１の旋回軸７１と、第１の旋回軸に対して所定角度、例えば垂直になっている第２の旋回軸７２とを有し、剛性アーム４８は、ヒンジ機構５１を自由カンチレバー端部４３に対して定位置に保持する。よってヒンジ機構は、可動腕部に２の自由度をもたらし、人間の腕の場合、矢状面ヒンジ７１および横断ヒンジ７２をそれぞれ使用して矢状面および横断面内で腕を持ち上げることを可能にする。
【００４９】
腕部留め具４１はさらに、回転中心とは離れている腕部レスト４９を有する。
【００５０】
旋回軸に対する腕部レスト４９の位置は調節可能であるとよい。矢印７３で示されるように、腕部レスト４９は、位置合わせのズレを補正するためにヒンジ機構５１に対して離れるようにあるいは近づくように移動できる。この例では、腕部部材５２にはスライドが設けられており、このスライドの上を腕部レスト４９をスライドさせて所望の位置にし、次いでその位置をロックすることができる。あるいは、腕部レスト４９は、使用中に直線的に動くことが可能になっており、これにより例えば回転中心の動きと可動腕部の回転との間の対応が不十分である場合に位置合わせの自動修正を可能にする。
【００５１】
したがって、補助具４は、腕部レストの回転および直線並進を可能にし、以って「腕部レスト」が外部の「腕部」に接続されたときの運動の自由度を大きくすることができる機構を備えている。
【００５２】
ヒンジ機構および可動腕部レストは、バネまたは他の受動アクチュエータを使用するなどして受動的に動力を与えられてもよい。これにより、機械的に単純および／またはコンパクトな補助具を得ることができる。
【００５３】
図１〜図５の例では、力平衡を行う補助具は、装着型の補助装置３に使用されている。装着式の補助装置３は人間によって着用可能であるが、装着式の補助装置３は他の種類の生物、すなわち人間以外の動物にも、適切な方法で問題の種の形態に寸法を合わせることによって着用可能であるように適用できることは明らかであろう。
【００５４】
図示のように、着用可能な装置３は、装置３を動物の身体に取り付けるためのハーネス３２と、動物の腕状肢部によってその回転点へ加えられる力を身体の他の部位に伝達し、この伝達を回転点と身体の他の部位との間の身体の部位を迂回しながら行うための、１つ以上の補助具４とを備える。
【００５５】
身体の他の部位は、肩部、胸部、体幹部、臍部、腰部、脚部からなる群の少なくとも１つより下方の身体下部であるとよい。これは腕部と前述の身体部位との間の身体部位を迂回することを可能にし、以って迂回された部位にかかる筋骨格ストレスを減少させる。身体の部位が椎骨下方の背側部であり、椎骨が以下からなる群から選択されることが特に好適である：Ｃ７、Ｔ１２、Ｔ１１、Ｔ１０、Ｔ９、Ｔ８、Ｔ７、Ｔ６、Ｔ５、Ｔ４、Ｔ３、Ｔ２、Ｔ１、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３。これは、しばしば身体的な不快感の原因となる脊椎の選択された部分への負荷を減らすことを可能にする。
【００５６】
図示されているように、装着式の補助装置は、対称的な身体を有する動物、例えば、人体などに適している。図示のように、装着式の補助装置３は、身体の対称軸の両側にそれぞれ備えられ、各腕状肢部に接続可能なそれぞれの腕部留め具を支持する２つの補助具を有するとよい。
【００５７】
この例では、ハーネスは力平衡を行う補助具４によって形成され、これらはそれぞれ人体の対称軸の両側にあり、それらの間に首を配置できるように離間している。補助具４は、使用時に、使用者の背中にある基部留め具４２にフレーム４７によって取り付けられ、より具体的には、基部留め具４２は、使用者の腰部周りに固定されたときに伸びるベルト３２によって背中の下方部に取り付けられる。図示のように、フレーム４７は、基部留め具４２から補助具４まで延在する平行な細長いストリップからなり、これは基部留め具４２のところで基部留め具によって互いに接続され、そして伝達ストリップ３４によって補助具４４との接合部で互いに接続されている。ハーネスには、自由カンチレバー端部４６をフレーム４７に接続するストラップ３３が設けられている。装着時には、自由カンチレバー端部は胴部１０の前方にあり、フレームは後方にある。ストラップ４７はこうして、ベルト３２が補助具を腰部へ安定させる一方、ハーネスを胴部に固定できるようにする。
【００５８】
補助具は、自律型または半自律型のロボット、例えば人間型または非人間型のものなどの機械装置の可動腕部を補助するために使用することができる。機械的装置は、例えば工業用ロボットのような工場機器とすることができる。補助具を使用することにより、補助具が受動アクチュエータに可動腕部のための大きな運動の自由度を与えるので、限られた能力の能動アクチュエータで複雑な動きをすることが可能な可動腕部を実現することができる。特に、補助具は静的な力を補償することができ、よって、そのような力を補償するのに十分な力を能動アクチュエータに供給する必要性は、除去されないにしても減少させることができる。
【００５９】
機械装置は、可動腕部と、可動腕部が取り付けられる基部とを備えるとよい。装置は、例えば、基部に対して腕部を動かすための能動アクチュエータを備える。腕部は、基部に対して移動可能な可動回転点周りに回転可能であるとよい。例えば、腕部は、基部に対して回転または直線的に移動することができる本体に取り付けられてもよい。腕部には、可動腕部によって腕部の回転点に加えられる力を少なくとも部分的に相殺するために、腕部および基部に連結された補助具を備えるとよい。
【００６０】
以上の明細書において、本発明は、本発明の実施形態の特定の例を参照して説明されてきた。しかしながら、添付の特許請求の範囲に記載されているような本発明のより広い範囲から逸脱することなく、様々な改善および変形がなされてもよいことは歴然であろう。
【００６１】
例えば、提示の例は「外骨格」、すなわち健常者の装着者の能力を増強する装置として実装されているが、装着式の補助装置は同様に「装具」すなわち肢部の病状を持つ装着者を補助するために使用される装置として実装されてもよく、例えば、治療的処置、予防的処置、あるいは装着者の疼痛症状の緩和などの緩和的処置のためのものでもよい。
【００６２】
同様に、実施例は人間によって装着可能なものとして説明されているが、装着式の補助装置は同様に、獣医学的装具または外骨格といった他の種類用の外骨格または装具として実施されてもよい。
【００６３】
例えば、本明細書で述べられているような接続は、例えば中間要素を介して、各部位から、あるいは各部位への、力の伝達に適した任意の種類の接続であればよい。したがって、他に示唆または言及されていない限り、接続は、例えば直接的接続または間接的接続であってもよい。
【００６４】
さらに、実施例では、人間の上腕部１２を受け入れるカップ形の腕部レストが示されているが、例えば、接続されるべき腕部に応じてカフまたは他の留め具が使用されてもよく、また、腕部レストが可動腕部に恒久的にまたは解放可能に接続されてもよい。 
【００６５】
また、補助具が適切な力を補償するために実施されてもよく、この補償が部分的または完全に行われてもよいことも明らかであろう。例えば、補助具は、動的な力または静的な力のバランスをとることができ、そして例えば、重力を補償することによって、腕部の重さまたは工具を持つ腕の重さを支える。
【００６６】
しかしながら、他の改善、変形および代替も可能である。したがって、明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味と見なされるべきである。
【００６７】
特許請求の範囲において、括弧内に配置されたいかなる参照符号も特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。「備える」「設ける」という語は、特許請求の範囲に挙げられているもの以外の他の要素またはステップの存在を排除するものではない。さらに、ここで使用される「１つの」という用語は、１つまたは複数のものとして定義される。
【００６８】
さらに、明細書および特許請求の範囲に、「前」、「背」、「頂」、「底」、「上」、「下」およびこれに類似する用語があれば、それは説明の目的で使用されており、必ずしも恒久的な相対位置を描写するためのものではない。使用されているこうした用語は、本明細書に記載された本発明の実施形態が、例えば本明細書に例示またはその他説明されたもの以外の向きでも動作できるよう、適切な状態に交換可能である。
【００６９】
また、特許請求の範囲において「少なくとも１つ」や「１つ以上」などの前置きが使用されていても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」を用いた他の請求項の要素の前置きが、その前置き付きの請求項の要素を含むいずれかの請求項を、たとえ同じ請求項内に「１つ以上」または「少なくとも１つ」という前置きと「ａ」または「ａｎ」といった不定冠詞とが含まれていても、その要素を１つのみ含む発明に限定するものとして解釈されるべきではない。これは、定冠詞が使用されている場合でも同じである。特に明記しない限り、「第１の」や「第２の」などの用語は、そのような用語が記述する要素を任意に区別するために使用される。したがって、これらの用語は必ずしもこうした要素の時間的または他の優先順位付けを示すことを意図するものではない。特定の手段が相互に異なる請求項に挙げられているというだけのことは、これらの手段の組み合わせが好適に使用できないことを示すものではない。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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