(57)【要約】【課題】本発明は消費電力が小さく、小型化及び軽量化された装着式動作補助装置を提供することを課題とする。【解決手段】装着式動作補助装置１０は、発生部２０と、回転軸３０と、弾性部材４０と、コイル５０と、補助力制御部６０と、第１結合部材７０と、第２結合部材８０とを備えている。弾性部材４０は、回転軸３０とケース２２との相対回転により弾性力を蓄積する。また、力発生部２０では、装着者の足が屈曲状態から伸長状態に動作する過程で弾性部材４０の弾性力が回転軸３０を回転させる駆動力（補助力）となって伝達される。切替スイッチ１１０をオンに切替えると、コイル５０が励磁されて磁気粘性流体１００が固化されるため、回転軸３０及び弾性部材４０が静止状態に保持される。また、コイル５０の磁場によって保持された弾性部材４０の弾性力は、切替スイッチ１１０をオフに切替えてコイル５０への電流をゼロに切替えることで、開放される。【選択図】図１
2011156171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節の動作方向に回転動作方向が一致するように装着され、内部に磁気粘性流体が充填された力発生部と、
一端が前記力発生部に挿通され、他端が前記力発生部より外部に突出された回転軸と、
前記力発生部に収納され、前記回転軸を回転方向に付勢する弾性部材と、
前記力発生部の内部に収納されたコイルと、
前記コイルへ通電される電流をオンまたはオフに切替える補助力制御手段と、
前記回転軸の他端を前記関節の基部側または可動側の何れか一方に結合させる第１結合部材と、
前記力発生部を前記関節の基部側または可動側の何れか他方に結合させる第２結合部材と、
を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項２】
前記コイルは、前記力発生部の内部の前記回転軸と同軸的となる位置に、前記環状の内周側に挿通される前記回転軸の外周と前記コイル内周との間に磁場が形成されるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の装着式動作補助装置。
【請求項３】
前記弾性部材は、前記関節の動作に伴う前記回転軸の回動に応じた弾性力を蓄積され、前記コイルへの通電がオンにされることで前記コイルの磁場により前記磁気粘性流体が固化されると共に、弾性力を保持した状態に維持されることを特徴とする請求項１または２に記載の装着式動作補助装置。
【請求項４】
前記弾性部材は、前記関節の動作に伴う前記回転軸の回動に応じた弾性力を蓄積され、前記コイルへの通電がオフにされることで弾性力を前記関節の補助力として付与することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項５】
前記補助力制御手段は、前記関節の基部側と可動側との回動角度が所望の角度になったときに前記関節の回動動作を保持するために前記コイルに電流を供給して前記回転軸の外周と前記コイル内周との間に介在する磁気粘性流体を固化することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の装着式動作補助装置。
【請求項６】
関節の動作方向に回転動作方向が一致するように装着され、内部に磁気粘性流体が充填された力発生部と、
一端が前記力発生部に挿通され、他端が外部に突出する回転軸と
前記力発生部に収納され、前記回転軸を回転方向に付勢する弾性部材と、
前記力発生部の内部に収納されたコイルと、
前記コイルへ通電される電流値を制御する補助力制御手段と、
前記回転軸の他端を前記関節の基部側または可動側の何れか一方に結合させる第１結合部材と、
前記力発生部を前記関節の基部側または可動側の何れか他方に結合させる第２結合部材と、
を備え、
前記関節を屈曲する動作過程で前記弾性部材が弾性変形して弾性力を蓄積し、前記関節を伸長する動作過程で前記弾性部材の弾性力を前記関節の動作を補助する補助力として付与することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項７】
前記コイルは、前記力発生部の内部に前記回転軸と同軸的となる位置に環状に巻回され、前記環状の内周側に挿通される前記回転軸の外周と前記コイル内周との間に磁場が形成されるように配置されたことを特徴とする請求項６に記載の装着式動作補助装置。
【請求項８】
前記補助力制御手段は、前記関節の動作に伴う前記関節の基部側と可動側との回動角度に応じて前記コイルに供給される電流値を変化させて前記回転軸の外周と前記コイル内周との間に介在する磁気粘性流体の粘性抵抗を調整して前記補助力を制御することを特徴とする請求項６または７に記載の装着式動作補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は関節の保持及び動作補助を行なうよう構成された装着式動作補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、歩行動作を補助する装着式動作補助装置としては、モータを有する動作補助具を足に装着して膝関節の動作を補助する装着式動作補助装置が開発されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この装着式動作補助装置は、装着者の意思に基づいて発生する生体電位を検出し、この生体電位信号からモータを制御する制御信号を生成する構成であるので、動作補助具の駆動力を自分の筋力と同じように足に伝達することが可能になる。
【０００４】
また、別の装着式動作補助装置としては、足首に装着された状態で歩行する際に足首の動きをモータに駆動される永久磁石が磁気粘性流体の流動を拘束して足首の角度が固定されるものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
特許文献２に記載された装置は、装着者が歩行する際に、当該装置を装着した方の足が着地して足の裏に配された荷重スイッチにより荷重が検出されているとき、永久磁石がシリンダ体の磁気粘性流体を励磁しない位置に退避しており、シリンダ室へ流出入する磁気粘性流体は自由に流動し、足首より下部に固定された下部構成体は、足首より上部の脛部分に固定された上部構成体に対して屈曲でき、着地した瞬間から体重の移動に伴って徐々に上部構成体の屈曲角度が深まる動きが可能になる。
【０００６】
また、足を踏み出そうとして足が地面から離れると、荷重スイッチが荷重を検知しないため、サーボモータが回転駆動されてアーム先端に設けられた永久磁石をシリンダ体の堰部に接近させ、磁気粘性流体を励磁して硬直させる。この状態になると、磁気粘性流体の流れが遮断され、下部構成体を介して足首の角度がロックされた状態を保持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９５５６１号公報
【特許文献２】特開２００６−８７５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載された装着式動作補助装置では、モータの駆動力をフレームなどの金属部材を介して装着者の足に伝達する構成であり、且つモータを支持するフレームの強度を確保する構成とするため、装置全体が大掛かりな構成になっており、さらには歩行動作に伴う各モータによる電力消費が大きいので、バッテリの消耗が早く、歩行時間が制限されるという問題がある。
【０００９】
また、特許文献２では、装着者の足に荷重が作用していないときにサーボモータを駆動してシリンダ体の堰部に永久磁石を近接させることで、永久磁石の磁場により磁性粘性流体を固化するため、足の動きに合わせてサーボモータを駆動する必要があり、バッテリの消耗が早く、歩行時間が制限されるという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決した装着式動作補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）  本発明は、関節の動作方向に回転動作方向が一致するように装着され、内部に磁気粘性流体が充填された力発生部と、
一端が前記力発生部に挿通され、他端が前記力発生部より外部に突出された回転軸と、
前記力発生部に収納され、前記回転軸を回転方向に付勢する弾性部材と、
前記力発生部の内部に収納されたコイルと、
前記コイルへ通電される電流をオンまたはオフに切替える補助力制御手段と、
前記回転軸の他端を前記関節の基部側または可動側の何れか一方に結合させる第１結合部材と、
前記力発生部を前記関節の基部側または可動側の何れか他方に結合させる第２結合部材と、
を備えたことを特徴とする。
（２）  本発明は（１）に記載の装着式動作補助装置であって、前記コイルは、前記力発生部の内部の前記回転軸と同軸的となる位置に、前記環状の内周側に挿通される前記回転軸の外周と前記コイル内周との間に磁場が形成されるように配置されたことを特徴とする。
（３）  本発明は、（１）または（２）に記載の装着式動作補助装置であって、前記弾性部材は、前記関節の動作に伴う前記回転軸の回動に応じた弾性力を蓄積され、前記コイルへの通電がオンにされることで前記コイルの磁場により前記磁気粘性流体が固化されると共に、弾性力を保持した状態に維持されることを特徴とする。
（４）  本発明は、（１）乃至（３）の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、の前記弾性部材は、前記関節の動作に伴う前記回転軸の回動に応じた弾性力を蓄積され、前記コイルへの通電がオフにされることで弾性力を前記関節の補助力として付与することを特徴とする。
（５）  本発明は、（１）乃至（４）の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、前記補助力制御手段は、前記関節の基部側と可動側との回動角度が所望の角度になったときに前記関節の回動動作を保持するために前記コイルに電流を供給して前記回転軸の外周と前記コイル内周との間に介在する磁気粘性流体を固化することを特徴とする。
（６）  本発明は、関節の動作方向に回転動作方向が一致するように装着され、内部に磁気粘性流体が充填された力発生部と、
一端が前記力発生部に挿通され、他端が外部に突出する回転軸と
前記力発生部に収納され、前記回転軸を回転方向に付勢する弾性部材と、
前記力発生部の内部に収納されたコイルと、
前記コイルへ通電される電流値をオンまたはオフに切替える補助力制御手段と、
前記回転軸の他端を前記関節の基部側または可動側の何れか一方に結合させる第１結合部材と、
前記力発生部を前記関節の基部側または可動側の何れか他方に結合させる第２結合部材と、
を備え、
前記関節を屈曲する動作過程で前記弾性部材が弾性変形して弾性力を蓄積し、前記関節を伸長する動作過程で前記弾性部材の弾性力を前記関節の動作を補助する補助力として付与することを特徴とする。
（７）  本発明は、（６）に記載の装着式動作補助装置であって、前記コイルは、前記力発生部の内部に前記回転軸と同軸的となる位置に環状に巻回され、前記環状の内周側に挿通される前記回転軸の外周と前記コイル内周との間に磁場が形成されるように配置されたことを特徴とする。
（８）  本発明は、（６）または（７）に記載の装着式動作補助装置であって、前記補助力制御手段は、前記関節の動作に伴う前記関節の基部側と可動側との回動角度に応じて前記コイルに供給される電流値を変化させて前記回転軸の外周と前記コイル内周との間に介在する磁気粘性流体の粘性抵抗を調整して前記補助力を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、磁気粘性流体が充填された力発生部の内部にコイルを収納させ、コイルへの電流をオンまたはオフに切替えることで、関節を動作させないときはコイルからの磁場の作用により磁気粘性流体を固化させて弾性部材の弾性力を保持して回転軸の回動を制限させることが可能になり、またコイルへの電流をオフにすることで弾性部材の弾性力を開放して回転軸を回動させるように切替えることが可能になるので、構成の簡素化、小型化及び軽量化を図れる。また、コイルに供給される電流が小さくて済むので、小さなバッテリで長時間の間、回転軸を停止状態に保持したり、または弾性部材の弾性力により回転軸を回動させるように切替えることができる。
【００１３】
また、本発明によれば、回転軸に対する磁気粘性流体による剪断抵抗をコイルへの電流値によって制御することが可能になり、関節を動作させないときはコイルからの磁場の作用により磁気粘性流体を固化させて弾性部材の弾性力を保持して回転軸の回動を制限させたり、あるいは歩行動作のような関節の動作に合わせて弾性部材の弾性力の蓄積及び弾性力による回動角度を制御することが可能になり、構成の簡素化、小型化及び軽量化を図れると共に、コイルに供給される電流が小さくて済むので、小さなバッテリで長時間の間、回転軸を停止状態に保持したり、回転軸を任意のタイミングで所定角度回動させるように制御させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による装着式動作補助装置の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】装着式動作補助装置の構成を示す斜視図である。
【図３Ａ】装着式動作補助装置が装着された装着者が椅子に座った状態を示す図である。
【図３Ｂ】装着式動作補助装置が装着された装着者が立ち上がった状態を示す図である。
【図３Ｃ】装着式動作補助装置が装着された装着者が歩行する動作状態を示す図である。
【図４】力発生部の構成を示す縦断面図である。
【図５Ａ】磁力粘性流体の流動状態を示すＡ部の断面図である。
【図５Ｂ】力発生部のコイルの磁場による磁力粘性流体の固化状態を示すＡ部の断面図である。
【図６】力発生部の弾性部材の取付構造を示す平面図である。
【図７】力発生部の数学モデルを示す図である。
【図８】力発生部のコイルが励磁された際の磁場を形成する磁力線を模式的に示す図である。
【図９Ａ】力発生部のコイルに通電された電流を０．３Ａとした場合の磁束密度の分布を模式的に示す図である。
【図９Ｂ】力発生部のコイルに通電された電流を１．０Ａとした場合の磁束密度の分布を模式的に示す図である。
【図１０】コイル電流と降伏応力との関係を示す実験結果のグラフである。
【図１１】装着式動作補助装置の変形例１を示す縦断面図である。
【図１２】変形例１の制御処理を説明するためのフローチャートである。
【図１３】装着式動作補助装置の変形例２を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を示す縦断面図である。図２は装着式動作補助装置の構成を示す斜視図である。図１及び図２に示されるように、装着式動作補助装置１０は、膝関節の動作及び停止状態を補助する装置であり、力発生部２０と、回転軸３０と、弾性部材４０と、コイル５０と、補助力制御部６０と、第１結合部材７０と、第２結合部材８０とを備えている。
【００１７】
力発生部２０は、装着者自身の動作を利用して弾性力を蓄積し、蓄積された弾性力を補助力として装着者に付与するパッシブ機構となる構成である。そのため、力発生部２０は、アクティブ機構のように重くて、大きなスペースを必要とするモータが設けられておらず、省電力化と共に小型化及び軽量化が促進されている。
【００１８】
また、力発生部２０は、装着者の膝関節の動作方向に回転動作方向が一致するように装着され、密閉構造とされたアルミ合金製のケース２２の内部に回転軸３０、弾性部材４０、コイル５０が収納されると共に、磁気粘性流体１００が充填されている。磁気粘性流体１００は、少なくともケース２２の内部に収納されたコイル５０の内周と回転軸３０の外周との間に形成された環状の間隙（堰）２４に充填されている。
【００１９】
磁気粘性流体（Magneto-Rheological Fluid）１００は、機能性流体の一種であり、コイル５０から発生する磁場の強さにより流体の粘性などのレオロジー特性が変化する流体である。磁気粘性流体１００は、例えば、オイルなどの粘性流体中に鉄などの強磁性微粒子（直径１０μｍ程度）が混合されており、外部からの磁場がない場合は、各微粒子が分散しており、上記間隙２４を移動可能な流動状態になっている。
【００２０】
一方、磁気粘性流体１００は、外部から磁場を与えた場合、流体中に分散していた強磁性微粒子が磁束方向に沿って鎖状に連結され、流体の流れを制限する可変絞りを形成する。このように連結された強磁性微粒子による可変絞りは、流体の流れに抵抗するため、磁気粘性流体１００の粘度が変化する。従って、外部からの磁場による強磁性微粒子の変化は、可逆的であり、磁場の強さを変化させることにより、可変絞りを形成する微粒子の割合が変化して磁気粘性流体１００の粘度や降伏応力を調節することが可能になる。
【００２１】
回転軸３０は、膝関節の回動中心と一致するようにケース２２の中央に挿通されている。また、回転軸３０は、一端（基部）が力発生部２０の内部中央に挿通され、他端（先端部）が力発生部２０の外部に突出しており、両端部がケース２２の内部に保持された軸受３２、３４により回転可能に支持されている。
【００２２】
弾性部材４０は、力発生部２０のケース２２内に収納されたトーションバネからなり、回転軸３０を回転方向に付勢するように設けられている。また、弾性部材４０は、例えば、回転軸３０の外周に巻装されており、回転軸３０とケース２２との相対回転により弾性変形することでばね力を蓄積する。また、力発生部２０は、装着者の足が屈曲状態から伸長状態に動作する過程で弾性部材４０のばね力が回転軸３０を回転させる駆動力（補助力）として伝達されるように構成されている。
【００２３】
補助力制御部６０は、例えば、装着者の腰ベルトなどに取り付けられており、切替スイッチ１１０、制御装置１２０、バッテリ１３０を有する。また、補助力制御部６０から引き出された電線６２は、ケース２２の外周に埋め込まれた雌コネクタ２６に接続される雄コネクタ６４を有する。尚、雌コネクタ２６は、ケース２２の取付孔に圧入され、ケース２２内の磁気粘性流体１００が流出しないように液密にシールされている。
【００２４】
切替スイッチ１１０は、装着者自身が切替操作する手動操作手段であり、オンに操作されると、バッテリ１３０からの電流をコイル５０へ供給し、コイル５０の磁場により上記環状の間隙２４における磁気粘性流体１００を粘性抵抗が高まるように変化させる。また、切替スイッチ１１０をオフに操作することで、コイル５０が消磁されて上記環状の間隙２４における磁気粘性流体１００を流動状態に切替えることができる。
【００２５】
制御装置１２０は、バッテリ１３０の消費電力、充電率、充電の要否等の演算処理を行なうと共に、例えば、バッテリ充電率が２０％以下に低下すると警告音または警告灯により装着者Ｘに充電時期またはバッテリ交換時期であることを報知する。また、バッテリ１３０は、非充電式の単三電池または充電式電池からなり、コイル５０を励磁するときに電流（例えば、０．３Ａ〜０．４Ａ）が消費されるため、駆動トルクを発生させるためのモータを駆動させる場合よりも大幅に消費電力が低下しており、電池寿命が延長されている。また、バッテリ１３０の数も少なくて済むので、省スペース化及び軽量化の点でも有利である。
【００２６】
従って、コイル５０は、補助力制御部６０からの通電により励磁され、あるいは消磁されることで弾性部材４０の弾性力を保持したり、回転軸３０に弾性部材４０の弾性力を伝達することができるので、補助力制御部６０と共に、弾性力保持機構を構成している。また、コイル５０は、切替スイッチ１１０のオンまたはオフによって間隙２４における磁気粘性流体１００による可変絞りが遮断または開放に切り替わるクラッチ機構のように作動するように設けられている。
【００２７】
第１結合部材７０は、力発生部２０のケース２２の裏面に固定された板状のブラケットであり、樹脂ベルトからなる締結ベルト７２が取り付けられている。締結ベルト７２は、装着者の腿（膝関節の基部側）と第１結合部材７０とを固定するための締結部材であり、装着者の腿の外周にがたつきの無い密着状態で両端部が結合される。
【００２８】
第２結合部材８０は、クランク形状に曲げられたブラケットであり、回転軸３０の端部が結合される結合部８１と、樹脂ベルトからなる締結ベルト８２が取り付けられる取付部８４とを有する。締結ベルト８２は、装着者の脛（膝関節の可動側）と第２結合部材８０とを固定するための締結部材であり、装着者の脛の外周にがたつきの無い密着状態で両端部が結合される。
【００２９】
図３Ａは装着式動作補助装置が装着された装着者が椅子に座った状態を示す図である。図３Ａに示されるように、装着式動作補助装置１０が装着された装着者Ｘが椅子１６０に座った状態では、装着者Ｘの膝関節の回動角度（第１結合部材７０と第２結合部材８０との相対回動角度）がほぼ直角（例えば、８０度〜１００度）になっており、座る際の体重移動により弾性部材４０が圧縮荷重を受けてばね力を蓄積した状態に弾性変形される。
【００３０】
このとき、装着者Ｘは、椅子１６０に座った状態で切替スイッチ１１０をオンに操作して力発生部２０の間隙２４に充填された磁気粘性流体１００を固化させて回転軸３０を制動して回転動作を制限する。これにより、装着式動作補助装置１０は、回動を規制されたロック状態となるため、装着者Ｘが椅子１６０に座っていなくても膝関節を９０度に曲げた姿勢を保持することができる。すなわち、装着式動作補助装置１０は、切替スイッチ１１０がオンに操作された時点で、膝関節の回動角度を保持するようにロックされるため、そのときの装着者Ｘの姿勢に拘わらず膝関節が回動しないように保持して装着者Ｘの筋力の負担を軽減することが可能になる。
【００３１】
図３Ｂは装着式動作補助装置が装着された装着者が立ち上がった状態を示す図である。図３Ｂに示されるように、装着者Ｘは椅子１６０から立ち上がる直前に切替スイッチ１１０をオフに操作して力発生部２０の間隙２４に充填された磁気粘性流体１００を流動化させて回転軸３０を回転方向に付勢する弾性部材４０の弾性力（補助力）を開放して回転軸３０の回転力が第２結合部材８０に伝達されると共に、その反力がケース２２を介して第１結合部材７０に伝達される。その結果、装着者Ｘは、膝関節を９０度に曲げた屈曲状態からほぼ１８０度に伸ばした伸長状態に回動させる際に、装着式動作補助装置１０の弾性部材４０のばね力（弾性力）を補助力として立ち上がることができる。
【００３２】
図３Ｃは装着式動作補助装置が装着された装着者が歩行する動作状態を示す図である。図３Ｃに示されるように、装着者Ｘは、歩行動作を行なう際、膝関節が曲げられる過程で回転軸３０を回転方向に付勢する弾性部材４０の弾性力（ばね力）が蓄積され、膝関節が伸長される過程で弾性部材４０の弾性力（ばね力）が回転軸３０を回転方向に作用して膝関節を伸ばして地面を蹴る押出力を補助する補助力として作用させることができる。
【００３３】
図４は力発生部の構成を示す縦断面図である。図４に示されるように、力発生部２０は、ケース２２の内部に、環状に巻回されたコイル５０を収納保持するボビン５２と、ボビン５２の外側を囲むように形成されたヨーク１４０とを有する。
【００３４】
コイル５０は、内周側及び軸方向の両面がアルミ合金等の非磁性材からなるボビン５２に囲まれているので、磁気粘性流体１００と接触しないように気密構造で保護されている。
【００３５】
ヨーク１４０は、縦断面形状がコ字状となるように形成されており、コイル５０の軸方向の両面及び外周側を囲むと共に、コイル５０の内側を露出させるように軸方向に貫通する貫通孔を有する。この貫通孔の内周縁１４０ａ、１４０ｂは、回転軸３０の外周に近接した状態で対向する。
【００３６】
ヨーク１４０の上面側には、樹脂製の円盤状部材１５０が保持されている。そして、円盤状部材１５０の上面には、弾性部材４０が取り付けられている。また、円盤状部材１５０の下面側において、ケース２２や回転軸３０との各隙間は、シール部材によって液密にシールされており、磁気粘性流体１００が間隙２４からケース２２の外部に流出しない構造になっている。
【００３７】
回転軸３０及びヨーク１４０は、炭素鋼などの磁性材により形成されており、コイル５０に電流が流されて励磁された際の磁力線が通過する磁路を構成している。そのため、磁気粘性流体１００が充填された間隙２４には、コイル５０が励磁されたときの磁束Ｍｆがヨーク１４０内に高密度に形成されるため、ヨーク１４０の内周縁１４０ａ、１４０ｂと回転軸３０の外周との近接部分Ａ（図４中、○印で示す）の磁場が集中的に強くなる。その結果、ヨーク１４０の内周縁１４０ａ、１４０ｂと回転軸３０の外周との間に滞留する磁気粘性流体１００に含まれる強磁性微粒子は、強い磁場により瞬時に連結された固化状態に変化する。
【００３８】
尚、間隙２４は、コイル５０による磁場による磁気粘性流体１００の結合強度をより高めるため、磁気粘性流体１００の流動を阻害しない範囲でできだけ小さい寸法（例えば、強磁性微粒子が自由に通過可能な０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度）に設定することが望ましい。
【００３９】
図５Ａは磁力粘性流体の流動状態を示すＡ部の断面図である。図５Ｂは力発生部のコイルの磁場による磁力粘性流体の固化状態を示すＡ部の断面図である。
【００４０】
図５Ａに示されるように、コイル５０を励磁しない場合、磁気粘性流体１００が流動状態にあるので、回転軸３０にかかる抵抗は弾性部材４０の弾性力（ばね力）のみである。従って、外力（装着者Ｘの動作による力）によって回転軸３０を所定角度回動させた後、外力が取り除かれると弾性部材４０の弾性力ＦＡによって回転軸３０が動作前の状態に復帰する。
【００４１】
図５Ｂに示されるように、コイル５０に電流を流して励磁した場合、ヨーク１４０の内周縁１４０ａ、１４０ｂと回転軸３０との間において、磁気粘性流体１００の強磁性微粒子が連結されているので、磁気粘性流体１００の剪断抵抗により回転軸３０に回転させようとする外力（装着者Ｘの動作による力）が作用しても外力による回転方向と反対方向の抵抗力が発生する。そのため、回転軸３０は、回転せず、ケース２２に対して制動（ロック状態）されている。
【００４２】
また、回転軸３０が外力によって弾性部材４０が弾性変形している状態で切替スイッチ１１０をオンに切替えると、コイル５０からの磁場によって磁気粘性流体１００が固化されるため、外力が除かれても弾性部材４０の弾性力ＦＡと磁気粘性流体１００の剪断力ＦＢとが打消しあうことで回転軸３０の回動角度に拘わらず回転軸３０及び弾性部材４０が静止状態に保持される。
【００４３】
また、コイル５０の磁場によって保持された弾性部材４０の弾性力は、切替スイッチ１１０をオフに切替えてコイル５０への電流をゼロに切替えることで、開放される。これにより、回転軸３０は、弾性部材４０の弾性力ＦＡの作用方向に回動して元の動作前の角度位置に戻る。従って、装着者Ｘ自身の判断で切替スイッチ１１０をオンまたはオフに切替えることにより、弾性部材４０の弾性力ＦＡを任意のタイミングで回転軸３０の回転力として出力することが可能になる。
【００４４】
図６は力発生部の弾性部材の取付構造を示す平面図である。図６に示されるように、弾性部材４０は、トーションバネからなり、コイル部分が回転軸３０の外周に巻回されるように取り付けられている。また、弾性部材４０の一端４２は、ケース２２内に収納された円盤状部材１５０に設けられた掛止部１５２に掛止されている。円盤状部材１５０は、中央の貫通孔が回転軸３０の外周に対応する非円形状に形成されて回転軸３０に係合しており、回転軸３０と共に回動可能に設けられている。
【００４５】
また、弾性部材４０の他端４４は、ケース２２の内壁に固定されたストッパ部２９に当接している。そのため、回転軸３０が外力によってＣ方向に回動すると、円盤状部材１５０もＣ方向に回動して弾性部材４０を弾性変形させる。
【００４６】
弾性部材４０の弾性力（ばね力）は、掛止部１５２をＤ方向に付勢しているので、コイル５０への電流がゼロになって磁気粘性流体１００による回転軸３０に対する制動（剪断抵抗力）が無くなると、回転軸３０をＤ方向に回動させて元の回動角度に復帰させる。
【００４７】
また、弾性部材４０は、ケース２２の収容スペースに応じて線材の巻径、巻数、回動角度等を任意に選択することで、回転軸３０に作用させる弾性力及び回転軸３０の回動角度を設定することができる。
【００４８】
また、力発生部２０は、上記のように同じケース２２内に回転軸３０、弾性部材４０、コイル５０をコンパクトに収納させる構造であるので、大幅な小型化及び軽量化が図られている。
【００４９】
図７は力発生部の数学モデルを示す図である。図７において、Ｊは回転軸３０の慣性モーメント、ｃｒは減衰係数、ｋｒは弾性部材４０のばね定数、Ｎは外力のモーメントである。
【００５０】
ｃＴ（Ｉ）は、磁気粘性流体１００の粘性による剪断モーメント、Ｔ（Ｉ）は磁気粘性流体１００とヨーク１４０及び回転軸３０の接触面との摩擦力である。Ｉはコイル５０に流す電流値である。
【００５１】
ここで、ケース２２と回転軸３０との間におけるシール部材及び軸受３２、３４などによる摩擦力を無視すると、力発生部２０の回転系の運動方程式は、次式のように表せる。
Ｊ（ｄ２θ／ｄｔ２）＋Ｃｒ（ｄθ／ｄｔ）＋（ｋｒθ＋Ｔ（Ｉ））＝Ｎ・・・（式１）
Ｃｒ＝ｃｒ+ｃＴ（Ｉ）・・・（式２）
コイル５０の電流値によって剪断モーメントｃＴ（Ｉ）、摩擦力Ｔ（Ｉ）の値は変化する。また、コイル５０への電流値が高くなるに従って剪断モーメントｃＴ（Ｉ）の値も大きくなり、系の減衰力は高まる。
【００５２】
また、電流値Ｉの値が大きくなると、摩擦力Ｔ（Ｉ）の値も大きくなり、外力のモーメントＮや弾性部材４０の弾性力に反発する大きな摩擦力が発生する。この減衰力と摩擦力との相対関係により弾性部材４０の回転方向の弾性力の保持が可能になる。
【００５３】
ここで、上記コイル５０に電流を流して励磁させたときの磁場の変化について説明する。図８は力発生部のコイルが励磁された際の磁場を形成する磁力線を模式的に示す図である。図８に示されるように、有限要素法を用いた磁力線図の解析結果により、磁力線は間隙２４において、ヨーク１４０の上部内周縁１４０ａ→磁気粘性流体１００→回転軸３０→磁気粘性流体１００→ヨーク１４０の下部内周縁１４０ｂを通過するループを描いており、ヨーク１４０の内周側１４０ａ、１４０ｂと回転軸３０との磁極間を流れる磁気粘性流体１００に磁場が印加されていることが分かる。
【００５４】
次に、力発生部２０における磁束密度分布の解析結果について説明する。
【００５５】
図９Ａは力発生部のコイルに通電された電流を０．３Ａとした場合の磁束密度の分布を模式的に示す図である。図９Ｂは力発生部のコイルに通電された電流を１．０Ａとした場合の磁束密度の分布を模式的に示す図である。尚、磁束密度の分布は、実際には解析装置のモニタにカラーで磁束密度の変化が各色の違いによって表示されているが、図９Ａ、図９Ｂにおいては、簡易的にモノクロ濃淡で示しており、濃い領域が薄い領域よりも磁束密度が高いことを示している。
【００５６】
図９Ａ、図９Ｂに示されるように、磁束密度分布の解析結果によると、ヨーク１４０の内周側と回転軸３０との磁極間を流れる磁気粘性流体１００にかかる磁束密度は、コイル電流が０．３Ａ（アンペア）のとき約０．６Ｔ（テスラ）であることを示しており、コイル電流が１．０Ａ（アンペア）のときた約０．８５Ｔ（テスラ）であることを示している。
【００５７】
また、コイル電流が０．３Ａ、１．０Ａの何れもヨーク１４０の上部内周縁１４０ａと回転軸３０との間の磁束密度が僅かに大きいことが分かる。これは、ヨークの上部と下部とで周囲の構造の違いによるものであり、ヨーク１４０の上部では磁力線がわずかに上方の磁気粘性流体１００へ拡散している。
【００５８】
一方、ヨーク１４０の下部では、内側が非磁性材料であるアルミ合金により形成されたボビン５２が設けられ、外側がアルミ合金により形成されたケース２２に囲まれているので、磁力線がヨーク１４０の外側に拡散しにくい構造になっている。
【００５９】
しかしながら、ヨーク１４０の上部と下部との磁束密度の差は、ヨーク１４０の内周縁１４０ａ、１４０ｂと回転軸３０との間の磁束密度に比べて小さいので、磁気粘性流体１００に印加される磁場への影響は、比較的小さくて済み、弾性力保持には殆ど影響しないものと考えられる。
【００６０】
次にコイル電流に応じた降伏応力の変化について説明する。
【００６１】
図１０はコイル電流と降伏応力との関係を示す実験結果のグラフである。図１０に示されるように、本実施例の力発生部２０において、コイル電流が０．５Ａ（アンペア）のとき、磁気粘性流体１００の降伏応力は約４０ｋＰａとなることが分かる。また、コイル電流を０〜１．５Ａ（アンペア）の範囲で調整すると、磁気粘性流体１００の降伏応力がほぼ比例して変化することが分かる。
【００６２】
また、コイル電流値を０Ａ、０．０５Ａ、０．０７Ａ、０１０Ａ、０．１２Ａ、０．１５Ａの計６通りに変化させて各コイル電流に対する保持力を求めてみた。その結果、弾性部材４０のばね定数は、８．２５Ｎ／ｍｍで、最大変位は１８ｍｍとして場合、コイル電流が０．０５Ａのときの保持力は、約２０Ｎとなり、コイル電流が０．１５Ａのときには保持力が１２０Ｎに達することが分かった。これにより、比較的小さな電流で大きな弾性力を保持する構造とすることが可能になると共に、バッテリ１３０の消費電力の節約、及びバッテリ１３０の使用可能時間の延長（耐久性の向上）が可能になる。
【００６３】
ここで、変形例について説明する。
【００６４】
図１１は装着式動作補助装置の変形例１を示す縦断面図である。尚、図１１において、前述した図１に示す部分と同一部分には、同一符合を付して説明を省略する。
【００６５】
図１１に示されるように、装着式動作補助装置２００は、力発生部２０の回転軸３０の回動角度を検出する角度センサ２１０が設けられている。角度センサ２１０は、回転軸３０が外力によって回動すると、ケース２２に対する回転軸３０の回動角度に応じた検出信号を補助力制御部６０に出力する。補助力制御部６０は、角度センサ２１０から出力された検出信号に基づいて装着者Ｘの姿勢や着座動作、立上がり動作、歩行動作開始、歩行停止等を推測（判定）して力発生部１０の外力による弾性力の蓄積タイミング、及び力発生部１０による補助力の出力タイミングに応じてコイル５０への電流値を制御する電流値制御手段を有する。
【００６６】
図１２は変形例１の制御処理を説明するためのフローチャートである。図１２に示されるように、制御装置１２０は、Ｓ１１で電源がオンになると、Ｓ１２に進み、角度センサ２１０から出力された検出信号を読み込む。この角度センサ２１０からの検出信号に基づいて装着者Ｘの膝関節の回動角度が分かり、角速度から停止状態、歩行動作状態、着席状態、立上がり動作状態の何れかであるかを推測（判定）する。
【００６７】
Ｓ１３では、装着者Ｘが椅子に着席しているか否かをチェックする。Ｓ１３において、例えば、膝関節の回動角度が８０度〜１００度で停止している場合（ＹＥＳの場合）には、当該装着者Ｘが着座状態（図３Ａを参照）にあると判定し、Ｓ１４に進む。
【００６８】
Ｓ１４では、力発生部１０のコイル５０に電流を供給してコイル５０の磁場により間隙２４に対流する磁気粘性流体１００を固化して回転軸３０を制動し、弾性部材４０の弾性力を保持する。この後は、再びＳ１２に戻り、角度センサ２１０から出力された検出信号を読み込む。
【００６９】
また、Ｓ１３において、角度センサ２１０からの検出信号に基づいて装着者Ｘの膝関節の回動角度が変化した場合（ＮＯの場合）には、Ｓ１５に進み、装着者Ｘが椅子から立ち上がったか否かをチェックする。Ｓ１５において、例えば、装着者Ｘの膝関節の回動角度が１００度以上に変化した場合（ＹＥＳの場合）には、装着者Ｘが椅子から立ち上がる動作を開始したものと判定する。
【００７０】
続いて、Ｓ１６に進み、コイル５０への電流をゼロにしてコイル５０の磁場を消磁し、力発生部１０の弾性部材４０の弾性力の保持を解除する。これにより、弾性部材４０の弾性力が回転軸３０を介して装着者Ｘの膝関節の回動方向に補助力として伝達される。よって、装着者Ｘは、膝関節を伸ばそうとする筋力と共に、弾性部材４０の弾性力（補助力）が付与されることで、着座状態から容易に立ち上がることができる。
【００７１】
また、上記Ｓ１５において、装着者Ｘが椅子から立ち上がる動作ではない場合（ＮＯの場合）、Ｓ１７に進み、装着者Ｘが歩行状態か否かをチェックする。Ｓ１７において、例えば、膝関節の回動角度が１００度〜１８０度の範囲で連続的に変化した場合（ＹＥＳの場合）には、装着者Ｘが歩行状態であると推測する。
【００７２】
続いて、Ｓ１８では、装着者Ｘの膝関節が屈曲状態から伸長状態に動作するときにコイル５０への電流値を徐々に低下させるように変化させて弾性部材４０の弾性力を徐々に補助力として伝達させるように補助力の大きさを制御することができる。
【００７３】
また、Ｓ１８で装着者Ｘの膝関節が伸長状態から屈曲状態に動作するときは、コイル５０への電流値を徐々に上昇させるように変化させて弾性部材４０の弾性力を徐々に蓄積させるように制御すると共に、磁気粘性流体１００の粘性抵抗力（剪断力）によって体重移動に伴う膝関節の負荷を緩衝（ダンパ作用）して装着者Ｘの歩行動作を支援する。
【００７４】
従って、装着者Ｘが椅子に座った状態のときは、上記Ｓ１２〜Ｓ１４の処理を繰り返すことにより力発生部１０の弾性力を保持した状態に保ち、装着者Ｘの膝関節がその状態で固定され、装着者Ｘの負担を軽減することができる。また、装着者Ｘが動作開始した場合は、上記Ｓ１５〜Ｓ１８の処理を繰り返すことにより、膝関節の回動角度の変化に応じて弾性部材４０の弾性力を開放して補助力を伝達したり、膝関節の動作（外力）により弾性部材４０を弾性変形させて弾性力を効率良く蓄積することが可能になる。
【００７５】
図１３は装着式動作補助装置の変形例２を示す図である。図１３に示されるように、装着者Ｘに装着された装着式動作補助装置３００は、第２結合部材８０の下端が足首の下側まで延在形成されており、且つ下端に足の裏に当接するように内側に直角に曲げられた当接部８６が設けられている。
【００７６】
このように第２結合部材８０は、当接部８６が足の裏側と地面との間に介在して装着式動作補助装置３００の荷重を支えることができるので、装着者Ｘの膝で荷重を受けることがなく、装着者Ｘの負担を軽減することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
尚、上記実施例では、膝関節の回動を補助する場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば、肘関節の回動を補助する場合にも本発明を適用することができるのは勿論である。
【００７８】
また、上記実施例の弾性部材としては、トーションバネを用いた構成を一例として挙げたが、これに限らず、例えば、トーションバネ以外のばね部材（例えば、コイルバネ、板バネ、空気ばね（ガススプリング）など）を用いても良い。
【符号の説明】
【００７９】
１０、２００、３００  装着式動作補助装置
２０  力発生部
２２  ケース
２４  間隙
３０  回転軸
３２、３４  軸受
４０  弾性部材
５０  コイル
５２  ボビン
６０  補助力制御部
７０  第１結合部材
７２、８２  締結ベルト
８０  第２結合部材
１００  磁気粘性流体
１１０  切替スイッチ
１２０  制御装置
１３０  バッテリ
１４０  ヨーク
１５０  円盤状部材
１６０  椅子
２１０  角度センサ
【図１】
2011156171.tif 000003
【図２】
2011156171.tif 000004
【図３Ａ】
2011156171.tif 000005
【図３Ｂ】
2011156171.tif 000006
【図３Ｃ】
2011156171.tif 000007
【図４】
2011156171.tif 000008
【図５Ａ】
2011156171.tif 000009
【図５Ｂ】
2011156171.tif 000010
【図６】
2011156171.tif 000011
【図７】
2011156171.tif 000012
【図１０】
2011156171.tif 000013
【図１１】
2011156171.tif 000014
【図１２】
2011156171.tif 000015
【図１３】
2011156171.tif 000016
【図８】
2011156171.tif 000017
【図９Ａ】
2011156171.tif 000018
【図９Ｂ】
2011156171.tif 000019