(57)【要約】【課題】  人体に装着して用いる補助ロボット装置に用いられるモータユニットの小型化、軽量化を図り、装着性、使用性のよいロボティックウェアを提供する。【解決手段】  人体の可動部位を支持する支持手段と、支持手段を駆動して人体の動作をアシストするモータユニットを備えるロボティックウェアにおいて、モータユニット３０ａは、モータ３６と、モータ３６に連繋して用いる減速機と、減速機を収容するハウジングケース３４とを備え、減速機は、サーキュラ・スプライン３２ａと、モータ３６を収容可能な内径の内部空間を備えるフレクスプライン３２ｂと、ウェーブ・ジェネレータ３２ｄとを備え、モータ３６の基部側が、フレクスプライン３２ｂの内部空間に収容され、モータ３６の出力軸とウェーブ・ジェネレータ３２ｄとが連結されている。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の可動部位を支持する支持手段と、支持手段を駆動して人体の動作をアシストするモータユニットを備えるロボティックウェアにおいて、
前記モータユニットは、モータと、モータに連繋して用いる減速機と、減速機を収容するハウジングケースとを備え、
前記減速機は、サーキュラ・スプラインと、前記モータを収容可能な内径の内部空間を備えるフレクスプラインと、ウェーブ・ジェネレータとを備え、
前記モータの基部側が、前記フレクスプラインの内部空間に収容され、モータの出力軸と前記ウェーブ・ジェネレータとが連結されていることを特徴とするロボティックウェア。
【請求項２】
前記ハウジングケースが樹脂からなることを特徴とする請求項１記載のロボティックウェア。
【請求項３】
前記支持手段として、人体の可動部位を支持する支持ベルトと、該支持ベルトに連繋して前記可動部位の側方に配置された支持板とを備え、
関節部に対応する位置に、前記支持板に連繋して前記モータユニットを配し、関節部を支点として前記モータユニットにより前記支持板を回動駆動することを特徴とする請求項１または２記載のロボティックウェア。
【請求項４】
前記支持手段として、腰ベルトと、大腿部上部ベルトとを備え、
前記支持板として、大腿部上部支持板と、大腿部下部支持板とを備え、
前記モータユニットを、前記大腿部上部支持板に支持するとともに、前記大腿部下部支持板に連繋して設けたことを特徴とする請求項３記載のロボティックウェア。
【請求項５】
前記支持手段として、大腿部下部ベルトと、下腿部上部ベルトとを備え、
前記支持板として、下腿部上部支持板と、下腿部下部支持板とを備え、
前記モータユニットを、前記下腿部上部支持板に支持するとともに、前記下腿部下部支持板に連繋して設けたことを特徴とする請求項３記載のロボティックウェア。
【請求項６】
前記支持手段として、人体の関節部間に対応するリンクを備え、
関節部間に沿って前記リンクを配置するとともに、関節部に対応する位置に前記モータユニットを配し、関節部を支点として前記モータユニットにより前記リンクを回動駆動することを特徴とする請求項１または２記載のロボティックウェア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボティックウェアに関し、より詳細にはロボティックウェアに装着されるモータユニットの構成を特徴とするロボティックウェアに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は先に人体の運動機能の補助、歩行アシスト等として利用できるロボティックスーツを提案した（特許文献１）。このロボティックスーツは、人体の屈曲可動部位に関節部を設け、関節部間をリンクにより結合し、関節部を支点としてモータによりリンクを回動駆動する構成（外骨格型）を備える。また、装置構成として人体を支持するリンクを使用せず、大腿部、下腿部等に支持ベルトを装着し、支持ベルトに駆動力を作用させることにより、運動、歩行の補助をなすように構成した非外骨格型のロボティックウェアがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−６６３７５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】田中浩仁、橋本稔、“非外骨格型構造を持つロボティックウェアの開発”、第19回ロボティクスシンポジア論文集、p.153-158，2014
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したロボティックスーツ、ロボティックウェアに装着されるモータユニット（アクチュエータ）は、それ自体かなりの重量があり、外骨格型のロボティックスーツは骨格（リンク）により重量を支えることができるのに対し、非外骨格型のロボティックウェアは人体で重量を支えなければならない。また、歩行時にモータユニットの揺動による慣性力が人体に作用するという問題や、モータユニットが腰部分から外側に張り出して装着されているため、モータユニットが手に当たるという問題がある。
【０００６】
本発明は、ロボティックスーツあるいはロボティックウェア等の人体に装着して用いるロボット装置に用いられるモータユニットの小型化、軽量化を図ることにより、装着性、使用性のよいロボティックウェア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】
【０００７】
本発明に係るロボティックウェアは、人体の可動部位を支持する支持手段と、支持手段を駆動して人体の動作をアシストするモータユニットを備えるロボティックウェアにおいて、前記モータユニットは、モータと、モータに連繋して用いる減速機と、減速機を収容するハウジングケースとを備え、前記減速機は、サーキュラ・スプラインと、前記モータを収容可能な内径の内部空間を備えるフレクスプラインと、ウェーブ・ジェネレータとを備え、前記モータの基部側が、前記フレクスプラインの内部空間に収容され、モータの出力軸と前記ウェーブ・ジェネレータとが連結されていることを特徴とする。
前記ハウジングケースが樹脂からなることにより、効果的にモータユニットの軽量化を図ることができ、さらにロボティックウェアの装着性を向上させることができる。
【０００８】
また、前記支持手段として、人体の可動部位を支持する支持ベルトと、該支持ベルトに連繋して前記可動部位の側方に配置された支持板とを備え、関節部に対応する位置に、前記支持板に連繋して前記モータユニットを配し、関節部を支点として前記モータユニットにより前記支持板を回動駆動する構成を備える非外骨格型のロボティックウェアに、とくに好適に適用することができる。
また、前記支持手段として、腰ベルトと、大腿部上部ベルトとを備え、前記支持板として、大腿部上部支持板と、大腿部下部支持板とを備え、前記モータユニットを、前記大腿部上部支持板に支持するとともに、前記大腿部下部支持板に連繋して設けたことを特徴とする。
また、前記支持手段として、大腿部下部ベルトと、下腿部上部ベルトとを備え、前記支持板として、下腿部上部支持板と、下腿部下部支持板とを備え、前記モータユニットを、前記下腿部上部支持板に支持するとともに、前記下腿部下部支持板に連繋して設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、前記支持手段として、人体の関節部間に対応するリンクを備え、関節部間に沿って前記リンクを配置するとともに、関節部に対応する位置に前記モータユニットを配し、関節部を支点として前記モータユニットにより前記リンクを回動駆動することを特徴とする、外骨格型のロボティックウェアにも好適に適用することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るロボティックウェアによれば、ロボティックウェア装着時に、モータユニットが手に当たることを防止し、装着性のよいロボティックウェアとして提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ロボティックウェアの概略構成を示す正面図(a)、側面図(b)である。
【図２】従来のモータユニットの構成を示す部分断面図である。
【図３】改良型のモータユニットの構成を示す部分断面図である。
【図４】他の改良型のモータユニットの構成を示す部分断面図である。
【図５】リンクを用いたロボティックスーツの概略構成を示す正面図(a)、側面図(b)である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（ロボティックウェアの構成）
図１(a)、(b)は本発明に係るロボティックウエアの概略構成を示す。図１(a)が人体にロボティックウェア１０を装着した状態の正面図、図１(b)が側面図である。このロボティックウェアは、左右の股関節用装着ユニット１２、１４と、左右の膝関節用装着ユニット１６、１８とから構成される。
【００１３】
股関節用装着ユニット１２は、腰ベルト１２１と、大腿部上部ベルト１２ａと、大腿部上部支持板１２ｂと、大腿部下部支持板１２ｃと、モータユニット２０ａとを備える。同様に、股関節用装着ユニット１４は、腰ベルト１２１と、大腿部上部ベルト１４ａと、大腿部上部支持板１４ｂと、大腿部下部支持板１４ｃと、モータユニット２０ｂとを備える。腰ベルト１２１は左右の股関節用装着ユニット１２、１４で共通の部材である。
モータユニット２０ａ、２０ｂは、大腿部上部支持板１２ｂ、１４ｂと、大腿部下部支持板１２ｃ、１４ｃとの間を連繋し、モータユニット２０ａ、２０ｂの取り付け位置を支点として、大腿部下部支持板１２ｃ、１４ｃを揺動駆動する。
【００１４】
膝関節用装着ユニット１６は、大腿部下部ベルト１６ａと、下腿部上部ベルト１６ｂと、下腿部下部ベルト１６ｃと、下腿部上部支持版１６ｄと、下腿部下部支持版１６ｅと、モータユニット２０ｃとを備える。膝関節用装着ユニット１８は、大腿部下部ベルト１８ａと、下腿部上部ベルト１８ｂと、下腿部下部ベルト１８ｃと、下腿部上部支持版１８ｄと、下腿部下部支持版１８ｅと、モータユニット２０ｄとを備える。
モータユニット２０ｃ、２０ｄは、下腿部上部支持板１６ｄ、１８ｄと、下腿部下部支持板１６ｅ、１８ｅと連繋し、モータユニット２０ｃ、２０ｄの取り付け位置を支点として、下腿部下部支持板１６ｅ、１８ｅを揺動駆動する。
【００１５】
モータユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは駆動用の電源に接続され、制御部により駆動制御される。モータユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの駆動を制御する方法は用途等によりさまざまであるが、本実施形態においては、モータユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに付設した減速機にトルクセンサを設け、ロボティックウェアを装着して歩行動作したときのロボティックウェアと人体との相互作用力をトルクとして検出し、検出したトルク値に基づいて、各々のモータユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの駆動を制御する。
制御部では、検出された相互作用トルクをもとに、各関節部分を回転させる目標角度を算出し、この目標角度と現在角度からフィードバック制御によりモータ（アクチュエータ）を駆動制御する。
【００１６】
モータ（アクチュエータ）を駆動制御する方法はとくには限定されないが、例として、同調制御方法に基づく制御方法を用いることができる。同調制御方法とは、介護者が被介護者の動こうとするタイミングに合わせて力を加えるように補助するといったように、介護者が被介護者の動作に同調しながら運動を補助するという制御方法である。モータユニットに設けたトルクセンサにより、駆動部と使用者との間の相互作用力（トルク）を検知しながらモータの駆動を制御することにより、使用者の動きに同調しながら使用者の動作を補助するように駆動させることもできるし、リハビリ運動のように使用者に負荷をかけるように駆動させることもできる。
【００１７】
図１は、人体の下肢にロボティックウェアを装着した例であるが、人体の上肢にロボティックウェアを装着する場合も、上記例と同様に上肢の肩部分と肘部分を関節部として揺動制御する構成とすればよい。下肢または上肢にロボティックウェアを装着する場合、リハビリ運動で使用する場合のように、片側の下肢あるいは上肢のみにロボティックウェアを装着するといった利用方法も可能である。
また、図１は、剛体リンクを使用しない非外骨格型のロボティックウェアを構成した例であるが、本発明はリンクを使用する外骨格型の補助ロボット装置にもまったく同様に適用することが可能であり、補助ロボット装置の駆動源としてモータ（アクチュエータ）を用いるものについて同様に適用できる。
【００１８】
（従来型モータユニット）
本発明に係るロボティックウェアにおいて特徴とする構成は、ロボティックウェアの駆動に用いるモータユニットの構成である。以下では、まず、従来のロボティックウェアに使用されているモータユニットについて説明し、次に本発明に関わるロボティックウェアに使用されるモータユニットの構造について説明する。
【００１９】
図２は、従来のロボティックウェアに用いられているモータユニット３０の構成を示す部分断面図である。
このモータユニット３０は、減速機３２を内蔵するハウジングケース３４と、ハウジングケース３４に固定したモータ３６とを備える。減速機３２は、ウェーブ・ジェネレータとフレクスプラインとサーキュラ・スプラインとを備えるハーモニックドライブ（登録商標）型の減速機である。
モータ３６は、ハウジングケース３４のケース上に固定して用いられ、モータ３６の出力軸が減速機３２のウェーブ・ジェネレータに連結され、モータ３６と減速機３２とが連繋される。モータユニット３０は、外観的には、ハウジングケース３４の上にモータ３６が搭載された形態となる。
【００２０】
減速機３２のサーキュラ・スプライン３２ａは、ハウジングケース３４の他方の開口部の内周側面にベアリングを介して回転自在に取り付けられる。サーキュラ・スプライン３２ａの面上には、ハウジングケース３４の他方の開口面から外方に先端が突出する駆動ピン３３が立設されている。
サーキュラ・スプライン３２ａの内側には、サーキュラ・スプライン３２ａの内周側面と外周側面とが歯合するフレクスプライン３２ｂが配置され、フレクスプライン３２ｂのフランジ部３２ｃがハウジングケース３４の内面に固定される。トルクセンサ４０はフレクスプライン３２ｂのフランジ部３２ｃの近傍に取り付けられている。
【００２１】
本実施形態においては、減速機３２としてシルクハット型のハーモニックドライブ（登録商標）減速機SHG-17-50を使用し、モータ３６としてブラシレスDCモータを使用した。
ハウジングケース３４はアルミニウム製であり、ハウジングケース３４の他方の開口部の周縁部上には、モータユニット３０の周方向の取り付け位置を規定する位置決めピン３８が設けられる。
【００２２】
次に、このモータユニット３０を図１に示したロボティックウェアに装着する構成部分について説明する。ロボティックウェアのモータユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄには上述したモータユニット３０を共通に装着する。以下では、モータユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄのかわりにモータユニット３０とする。
大腿部下部支持板１２ｃ、１４ｃと、下腿部下部支持板１６ｅ、１８ｅの上部には、モータユニット３０の駆動ピン３３が係合する係合部が設けられている。この係合部は支持板と一体の円板状に設けられた部位であり、駆動ピン３３が挿入される係合孔が、駆動ピン３３の配置位置に合わせて、厚さ方向に貫通して設けられている。モータユニット３０は係合孔に駆動ピン３３を抜き差しするようにして、大腿部下部支持板１２ｃ、１４ｃと、下腿部下部支持板１６ｅ、１８ｅに脱着可能となる。
【００２３】
大腿部上部支持板１２ｂ、１４ｂと、下腿部上部支持板１６ｄ、１８ｄの下部には、それぞれモータユニット３０のハウジングケース３４を支持するリング状に形成した支持部が設けられている。支持部にはモータユニット３０の位置決めピン３８が係合する位置決め孔が設けられ、位置決めピン３８を位置決め孔に挿入することにより、支持板の係合孔とモータユニット３０の駆動ピン３３とが位置決めされ、係合孔と駆動ピン３３とが係合する。
この状態でモータユニット３０を駆動制御することにより、大腿部下部支持板１２ｃ、１４ｃと、下腿部下部支持板１６ｅ、１８ｅは、モータユニット３０を装着した位置を支点として回動（揺動）駆動される。このように、図１に示すロボティックウェアは、モータユニット３０をロボット装置に簡単に脱着して使用することができる。
【００２４】
（改良型モータユニット）
図３は、改良型のモータユニットの構成例を示す部分断面図である。本実施形態のモータユニット３０ａは、減速機構としてウェーブ・ジェネレータとフレクスプラインとサーキュラ・スプラインとを備える減速機を使用することは上記例と同様である。
本実施形態のモータユニット３０ａにおいて、図２に示したモータユニット３０と相違する点は、扁平型のウェーブ・ジェネレータと内部空間の大きなフレクスプラインを備える減速機を使用し、ハウジングケース３４とモータ３６とを合わせたモータユニット３０ａの全高を、従来のモータユニット３０の全高よりも低くしたことにある。
【００２５】
内部空間の大きなフレクスプラインを使用するとは、フレクスプラインとして、その内部空間にモータ３６を収容できるサイズのものを使用するということである。内部空間にモータ３６を収容することにより、モータユニット３０ａの全高を従来型のモータユニット３０よりも低くすることができる。本実施形態では、フレクスプラインの内部空間にモータ３６を収容するため、従来型のモータユニット３０で使用している減速機よりも外径が大きなフレクスプラインを備える減速機を使用した。
なお、サーキュラ・スプライン３２aに駆動ピン３３を立設し、フレクスプライン３２ｂのフランジ部３２ｃにトルクセンサ４０を装着した構成は図２に示すモータユニット３０と同様である。
【００２６】
図３に示すように、本実施形態では、ハウジングケース３４の一方（モータ取り付け側）の開口部径を、モータ３６の外径よりも僅かに大径とし、モータ３６の基部側（出力軸が延出する側）をハウジングケース３４の開口部からフレクスプラインの内部空間に挿入してモータ３６をセットする。モータ３６は出力軸をウェーブ・ジェネレータ３２ｄに連結し、減速機と連繋させる
モータ３６の基部側をハウジングケース３４内に収容したことにより、ハウジングケース３４に収容したモータ３６の高さ分が、従来のモータユニット３０の全高よりも低くなる。
このようにモータユニット３０ａの構成を改良することにより、図２の従来型のモータユニット３０では、ハウジングケース３４とモータ３６とを合わせた高さ（駆動ピン３３、位置決めピン３８は高さ寸法から除く）が81ｍｍであったのに対し、本実施形態のモータユニット３０ａでは、ハウジングケース３４とモータ３６とを合わせた全高が63ｍｍとなり、従来型と比較して18ｍｍ、高さを低くすることができた。
【００２７】
図３に示すモータユニット３０ａでは、ハウジングケース３４の他方の開口部側は、駆動ピン３３を除きサーキュラ・スプライン３２ａによって囲まれた平面領域をハウジングカバー４２により被覆している。ハウジングカバー４２の中央部は円柱状に突出する。この突出部位は、ハウジングケース３４から外方に延出するウェーブ・ジェネレータ３２ｄの軸部を収容する部位である。ハウジングカバー４２にはPOM（polyoxymethylene)を使用した。
【００２８】
モータユニット３０ａは前述したモータユニット３０と同様に、図１に示すロボティックウェアのモータユニット２０a、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄとして利用することができる。モータユニット３０ａの作用は従来型のモータユニット３０と同様である。
本実施形態のモータユニット３０ａをロボティックウェアに適用した場合は、モータユニット３０ａの全高が従来型よりも低くなり、モータユニット３０ａの突出高さが抑えられるから、ロボティックウェアを使用した際に、モータユニットが手に当たるといった頻度を抑えることができ、ロボティックウェアの使用性を改善することができる。
【００２９】
（他の改良型モータユニット）
図４は、他の改良型のモータユニットの構成例を示す部分断面図である。
図３に示すモータユニット３０ａでは、モータ３６を収容する内部空間を有するフレクスプライン３２ｂを使用している。このため、実際には、従来型のモータユニット３０よりも若干、大径のフレクスプライン３２ｂを備える減速機を使用している。このため、従来型のモータユニット３０のハウジングケース３４は外径が80ｍｍであるのに対して、図３に示す改良型のモータユニット３０ａでは、ハウジングケース３４の外径が90ｍｍとなり、従来型のモータユニット３０の全重量が655ｇであるのに対して、改良型のモータユニット３０ａは全重量が785ｇであり、重量が130ｇ増加した。
【００３０】
ロボティックウェア等の人体に装着して用いる補助ロボット装置は、装着性を考えるとできるだけ軽量であることが望ましい。
本実施形態の改良型のモータユニット３０ｂは、アルミニウム製であったハウジングケース３４を樹脂製のハウジングケース３４aとしたことが特徴である。ハウジングケース３４の形状、肉厚等は図３に示すモータユニット３０ａと変わらない。また、モータユニット３０ｂを構成する、サーキュラ・スプライン３２ａ、フレクスプライン３２ｂ、ウェーブジェネレータ３２ｄ等の減速機の構成は同一であり、モータ３６をフレクスプライン３２ｂの内部空間に収容してハウジングケース３４に装着する構成も同一である。
【００３１】
本実施形態のモータユニット３０ｂでは、ハウジングケース３４を樹脂製としたことにより、モータユニット３０ｂの全重量が585ｇとなり従来型のモータユニット３０と比較して、70ｇ軽量となった。軽量化率は10.7％である。
本実施形態のモータユニット３０ｂも、上述したモータユニット３０ａと同様に、図１に示すロボティックウェアのモータユニット２０a、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄとして利用することができる。このロボティックウェアはモータユニットを４個使用するから、ハウジングケース３４を樹脂製としたことにより、ロボティックウェア全体では280ｇの軽量化を図ることができた。樹脂製のハウジングケースは、アルミニウム製と比べて強度が劣るが、POMからなるハウジングケースを使用した例では、強度面で実用上はとくに問題はなかった。
【００３２】
図１に示すロボティックウェアは、人体に装着する部材の重量を支えるリンク等の構造体を備えていないため、補助ロボット装置の重量がそのまま使用者に荷重として作用する。したがって、補助ロボット装置の重量を軽減することは、装着者の負担を軽減させる上できわめて重要である。モータユニットは補助装置の構成部材のうち、もっとも重量のある部材であるから、モータユニットを軽量化することにより、ロボティックウェアの装着性を効果的に向上させることができる。
実施形態のモータユニット３０ｂは、使用時にモータユニット３０ｂが手に当たることを防止するためモータユニット３０ｂの全高を低くするため、従来型にくらべて若干大径となりモータユニットの重量が増加した問題を改善できるという利点もある。
【００３３】
上記実施形態は非外骨格型の補助ロボット装置について説明したが、本発明に係るロボティックウェアは、非外骨格型の補助ロボット装置に適用する場合に限るものではなく、図５に示すような、外骨格型の補助ロボット装置に適用することもできる。図５に示す補助ロボット装置は、下肢の関節間に外骨格リンク２２a、２２ｂ、２３ａ、２３ｂを配し、各々の関節位置にモータユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを装着したもので、外骨格リンクによりロボットの重量を支えるように構成したものである。このような外骨格型の補助ロボット装置においても、モータユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄとして、上述した全高を低くし、軽量化を図ったモータユニットを利用することで、装着者への負担を軽減させることができ、使用性を向上させることができる。
上記例は、いずれも下肢の補助ロボットとして使用した例であるが、上肢の補助ロボットにも適用可能であり、片側の下肢あるいは上肢に使用する補助ロボット装置に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ロボティックウェア
１２、１４  股関節用装着ユニット
１２１  腰ベルト
１２ａ、１４ａ  大腿部上部ベルト
１２ｂ、１４ｂ  大腿部上部支持板
１２ｃ、１４ｃ  大腿部下部支持板
１６、１８  膝関節用装着ユニット
１６ａ、１８ａ  大腿部下部ベルト
１６ｂ、１８ｂ  下腿部上部ベルト
１６ｃ、１８ｃ  下腿部下部ベルト
１６ｄ、１８ｄ  下腿部上部支持版
１６ｅ、１８ｅ  下腿部下部支持版
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ  モータユニット
２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ  外骨格リンク
３０，３０ａ、３０ｂ  モータユニット
３２ａ  サーキュラ・スプライン
３２ｂ  フレクスプライン
３２ｃ  フランジ部
３２ｄ  ウェーブ・ジェネレータ
３３  駆動ピン
３４、３４ａ  ハウジングケース
３６  モータ
３８  位置決めピン
４０  トルクセンサ
４２  ハウジングカバー
【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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