(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外骨格体であって、
第１の鉛直軸の周りを横断方向平面内で枢動するように構成された第１のリンクと、
前記第１のリンクに連結され、前記第１の鉛直軸とは異なる第２の鉛直軸の周りで且つ横断方向平面内で枢動するように構成された第２のリンクと、
前記第２のリンクに連結され、水平軸を中心に枢動するように構成された腕支持体組立体であって、前記腕支持体組立体は、前記第２のリンクによって前記第１のリンクに接続され、重力に逆らう補助トルクを発生するように構成されたばねを含み、着用者の腕に補助トルクを提供して前記着用者の前記腕を支持するように構成され、カム輪郭とカム従節とをさらに含み、前記ばねによって、前記カム従節と前記カム輪郭が押圧されて接触して、かつ前記腕支持体組立体によって提供される補助力の量が前記カム従節、および前記カム輪郭間の接触によって決定されるように構成された、腕支持体組立体と、
前記腕支持体組立体に連結され、前記着用者の前記腕に連結されるように構成された腕支えと、を備える外骨格体。
【請求項２】
前記カム輪郭は、前記腕支持体組立体によって与えられる前記補助力が、前記水平軸に対する前記腕支持体組立体の回動位置に応じて変化するように構成される、請求項１に記載の外骨格体。
【請求項３】
前記ばねが気体ばねである、請求項１に記載の外骨格体。
【請求項４】
着用者の胴に連結されるように構成された胴支持体と、
前記着用者の腕の重量を前記胴支持体に移動させるように構成された脊柱体とをさらに備え、前記第１および前記第２のリンクによって前記腕支持体組立体が前記脊柱体に接続され、それにより前記腕支持体組立体が前記脊柱体に対して動くようにされる、請求項１に記載の外骨格体。
【請求項５】
取付バーと、第３のリンクと、戻り止めレールと、をさらに備え、
前記取付バーは前記脊柱体に直接連結され、
前記第１のリンクは、前記取付バーに直接連結された第１の端部と、前記第２のリンクの第１の端部に直接連結された第２の端部とを含み、
前記第２のリンクは、前記第３のリンクの第１の端部に直接連結された第２の端部を含み、
前記第３のリンクは、前記腕支持体組立体に直接連結された第２の端部を含み、
前記戻り止めレールは、前記腕支持体組立体および前記腕支えに直接連結され、
前記取付バーは、前記第１のリンクが前記脊柱体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより前記外骨格体が調節されて異なる着用者に適合し、
前記戻り止めレールは、前記腕支えが前記腕支持体組立体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより前記外骨格体が調節されて異なる着用者に適合し、
前記第３のリンクは、横断方向平面において第３の鉛直軸の周りを枢動するように構成され、それによりさらに前記腕支持体組立体が前記脊柱体に対して動き、
前記第１のリンクは、前記第１の鉛直軸の周りで前記取付バーに対して枢動し、
前記第１および第２のリンクは、前記第２の鉛直軸の周りに互いに枢動し、
前記第２および第３のリンクは、前記第３の鉛直軸の周りに互いに枢動し、
前記第３のリンクおよび前記腕支持体組立体は、前記水平軸の周りに互いに枢動する、請求項４に記載の外骨格体。
【請求項６】
前記腕支えは、前記着用者の肘と前記腕の肩との間の前記腕に連結されるように構成される、請求項１に記載の外骨格体。
【請求項７】
取付バーをさらに備え、
前記腕支持体組立体、前記第１のリンク、前記第２のリンク、および前記腕支えは、支持腕の少なくとも一部を形成し、
前記取付バーは前記支持腕を前記脊柱体に接続し、
前記取付バーは、前記支持腕が前記脊柱体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより外骨格体が調節されて異なる着用者に適合する、請求項４に記載の外骨格体。
【請求項８】
戻り止めレールをさらに備え、
前記戻り止めレールは、前記腕支えを前記腕支持体組立体に接続し、
前記戻り止めレールは、前記腕支えが前記腕支持体組立体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより前記外骨格体が調節されて異なる着用者にさらに適合する、請求項７に記載の外骨格体。
【請求項９】
前記腕支持体組立体、前記第１のリンク、前記第２のリンク、および前記腕支えは、支持腕の少なくとも一部を形成し、前記支持腕は、前記脊柱体に接続されるときに前記支持腕の着用者の肩の上を通過しない、請求項４に記載の外骨格体。
【請求項１０】
前記腕支持体組立体によって提供される補助力の量を制御するように構成された電子制御システムを含まない、請求項１に記載の外骨格体。
【請求項１１】
前記水平軸に対して前記腕支持体組立体の枢動位置を検知するように構成されたセンサを含まない、請求項１に記載の外骨格体。
【請求項１２】
前記補助トルクを生成するように構成された電動式、油圧式、または空気圧式アクチュエータを含まない、請求項１に記載の外骨格体。
【請求項１３】
前記第１および前記第２のリンクが、前記脊柱体に対して前記横断方向平面内を移動するだけである、請求項４に記載の外骨格体。
【請求項１４】
前記腕支持体組立体は、矢状面、冠状面、または矢状面および冠状面の中間の面で前記水平軸を中心に枢動するように構成される、請求項４に記載の外骨格体。
【請求項１５】
外骨格体を有する着用者の腕に補助トルクを提供する方法であって、前記外骨格体が、第１の鉛直軸の周りを横断方向平面内で枢動するように構成された第１のリンクと、前記第１のリンクに連結され前記第１の鉛直軸とは異なる第２の鉛直軸の周りで且つ横断方向平面内で枢動するように構成された第２のリンクと、前記第２のリンクに連結され水平軸を中心に枢動するように構成された腕支持体組立体であって、前記腕支持体組立体は、前記第２のリンクによって前記第１のリンクに接続され、ばね、カム輪郭、およびカム従節を含む腕支持体組立体と、前記腕支持体組立体に連結され着用者の腕に連結されるように構成された腕支えと、を備え、方法は、
重力に逆らう補助トルクを前記ばねで発生させるステップと、
前記腕支持体組立体で前記着用者の前記腕に前記補助トルクを提供し前記着用者の少なくとも前記腕を支持するステップと、
前記カム輪郭および前記カム従節を用いて前記腕支持体組立体によって与えられる前記補助力の量を決定するステップであって、前記腕支持体組立体は、前記ばねによって、前記カム従節と前記カム輪郭が押圧されて接触して、かつ前記腕支持体組立体によって提供される補助力の量が前記カム従節、および前記カム輪郭間の接触によって決定されるように構成される、ステップと、を含む補助トルクを提供する方法。
【請求項１６】
前記腕支持体組立体によって与えられる前記補助力を、前記腕支持体組立体が水平軸に対して枢動する位置に応じて変化させるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記腕支持体組立体の前記ばねが気体ばねであり、前記補助トルクを発生させるステップは、前記気体ばねを用いて前記補助トルクを発生させるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記外骨格体がさらに、前記着用者の胴に連結されるように構成された胴体支持と、脊柱体と、を備え、方法は、
前記着用者の前記腕の重さを、前記脊柱体を用いて前記胴支持体に移動させるステップであって、
前記第１および前記第２のリンクによって前記腕支持体組立体が前記脊柱体に接続され、それにより前記腕支持体組立体が前記脊柱体に対して動く、ステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記腕支持体組立体によって提供される補助力の量を電子制御システムで制御するステップ、
センサを用いて前記水平軸線に対する前記腕支持体組立体の枢動位置を検知するステップ、または、
電動アクチュエータ、油圧アクチュエータ若しくは空気圧アクチュエータによって前記補助トルクを発生させるステップを含まない、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１５年１２月２２日に出願し、「Human Exoskeleton Vest」と題した米国特許仮出願第６２／２７０,９９６号の権益を主張する。この出願の全内容は参照により援用される。
【０００２】
[0002]本発明は、静止位置で両腕を広げて作業する場合に、着用者の能力、持久力、強度を増強するための装置に関する。また、デバイスは、仕事の実行中に繰り返される腕と肩の運動を行う着用者に同じ有用性を提供する。デバイスは、一定のしばしば反復的な仕事の実施中の成果を高め怪我の予防の助けとなる。さらに詳細には、本発明は、腕を使って、長時間、工具を保持し手動の作業を実行する組立工程の仕事または他の活動に従事する人が使用するのに適した、腕支持体を有する着用デバイスに関する。このような仕事に、人の疲労を増加させる位置と角度で自分の腕で工具を持つ人が関わり得る。また、このような作業には、長時間、人が工具を使用し目の高さまたは目よりも上に自分の腕を維持することが求められ得る。デバイスは、それだけには限らないが着用者の腕におけるより高い強度と耐久性を含めて胴体や腕の機能を高め、長い期間の作業活動を持続させ姿勢を改善させ得る。
【背景技術】
【０００３】
[0003]着用外骨格体は、医療、商業、および軍事用途用に設計される。一般的に、医療外骨格体は、患者の移動性を回復に役立つように設計される。一般的に、商業用および軍事外骨格体は、精力的な活動の間の労働者や兵士によって支持される負荷を低減させるのに使用され、これにより怪我が防止され労働者や兵士の持久力と強さが増大する。
【０００４】
[0004]人の腕を静的な姿勢に到達するか保持させる作業を行うことに起因する人体の疲労とストレスについて、産業医学において記録されている。静的な姿勢を保持することは、体に非常に高い静荷重を掛け、その結果、急速な疲労になる。静的な姿勢により、仕事を実行するために必要な筋肉の労力が増大し、運動の欠如により血液の流れが妨げられる。同様に、手、腕、肩、背中と首を、これらに限定しないが含む、上半身の筋肉や腱の酷使は、疲労や反復運動過多怪我（ＲＳＩｓ：repetitive strain injuries）をもたらし得る。反復運動過多怪我（ＲＳＩｓ）は、筋骨格系および神経系に影響を与える。従って、当技術分野において、そのような活動によって引き起こされる疲労やストレスを軽減するか防ぐ外骨格体の必要性があり、それによって、着用者の能力を増強し怪我を防止する。詳細には、着用者の腕や各種工具の重量を直接に支持することによって着用者を補助する外骨格体の必要性が存在し、仕事の実行中に着用者の強さと持久力を増加させる。さらに、外骨格体なしには不可能であろう持続時間や方法で着用者が工具を使用できる必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
[0005]本発明の外骨格体は、着用者の腕の重さだけでなく負荷や工具を、外骨格体構造を介して移動させることにより着用者の持久力を改善するように働き、これにより、着用者の負担重量を軽減させる。より具体的には、外骨格体ベストは、着用者の物理的な腕の重さだけでなく工具の重量の両方を支える腕支持体を提供して、疲労を軽減させ、工具保持補助を提供する。重量が、着用者の手や腕から腕支持体とベストの脊柱を介して腰ベルトに移動する。着用者の腕や工具の重量を支持することによって外骨格体が着用者を補助する状態で、着用者は、腕支持体の上下運動を案内し腕支持体および任意の保持工具を移動させる。この支持は、着用者が長期間にわたって目の高さまたは目よりも上で作業を行うか繰り返し作業を実行するときに特に有益である。外骨格体ベストの構造、特に腕支持体の構造の設計は、職場の用途において着用者への外骨格体の有用性に重要な役割を果たす。
【０００６】
[0006]外骨格体ベストは、着用者の腕の強さを支持し、および／または増加させ、着用者は、自分の腕をより容易に操作し使え、外骨格体ベスト支持構造がなければ存在するであろう歪みや疲労もなく、反復作業の様々な仕事のいずれかを実行する。外骨格体ベスト支持体は、着用者の腕に従い、着用者の腕と着用者に保持される工具の重量のバランスをおおよそ取る補助トルクを提供する。本発明の一態様によれば、着用者の腕が移動の最後まで下げられるにつれて補助トルクがゼロになり、着用者がデバイスを非補助モードにすることができ、着用者は、デバイスに反動や他の運動をすることなく着用者の腕を腕支持体から外すことができる。別の態様では、外骨格体ベストは体の大きさと個人の人間工学的な考慮事項について調節可能である。この調節可能性の意味するのは、デバイスの単一のサイズがほとんどの人に適合されることである。代替実施形態では、むしろ外骨格体ベストの一部として提供されるよりも、腕支持体は椅子やテーブルのような物理的対象に取り付けられる。このタイプの構成では、腕支持体は依然として人の腕を支持し外骨格体ベストの着用者に提供する対応する有効性を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0007]特に、本発明は、第１の鉛直軸の周りを横断方向平面内で枢動するように構成された第１のリンクと、第２の鉛直軸の周り且つ横断方向平面内で枢動するように構成された第２のリンクと、を含む外骨格体を対象とする。第２のリンクが第１のリンクに連結される。腕支持体組立体が第２リンクに連結され、水平軸を中心に枢動するように構成される。腕支持体組立体は重力に逆らう補助トルクを発生するように構成されたばねを含む。腕支持体組立体は、着用者の腕に補助トルクを提供して着用者の腕を支持するように構成される。腕支持体組立体は、カム輪郭とカム従節とをさらに含む。腕支持体組立体は、腕支持体組立体によって提供される補助力の量がばね、カム従節、およびカム輪郭間の接触で決定されるように構成される。腕支え(cuff)が腕支持体組立体に連結され、着用者の腕に連結されるように構成される。具体的には、腕支えは、着用者の肘と腕の肩の間の腕に連結されるように構成される。
【０００８】
[0008]一実施形態では、水平軸に対する腕支持体組立体の回動位置に応じて腕支持体組立体によって与えられる補助力が変化するようにカム輪郭が構成される。好ましくは、ばねは気体ばねである。
【０００９】
[0009]別の実施形態では、外骨格体は、着用者の胴に連結されるように構成された胴支持体と、着用者の腕の重量を胴支持体に移動させるように構成された脊柱体を含む。第１および第２のリンクが腕支持体組立体を脊柱体に接続し、それによって腕支持体組立体が脊柱体に対して動くようにする。腕支持体組立体は、矢状面、冠状面、または矢状面および冠状面の中間の面で水平軸を中心に枢動するように構成される。
【００１０】
[0010]さらに別の実施形態では、外骨格体は、取付バーと、第３のリンクと、戻り止めレールとをさらに備える。取付バーは脊柱体に直接連結される。第１のリンクは、取付バーに直接連結された第１の端部と、第２のリンクの第１の端部に直接連結された第２の端部とを含む。第２のリンクは、第３のリンクの第１の端部に直接連結された第２の端部を含み、第３のリンクは、腕支持体組立体に直接連結された第２の端部を含む。戻り止めレールは、腕支持体組立体および腕支えに直接連結される。取付バーは、第１のリンクが脊柱体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより外骨格体が調節されて異なる着用者に適合する。戻り止めレールは、腕支えが腕支持体組立体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより外骨格体が調節されて異なる着用者に適合する。第３のリンクは、横断方向平面において第３の鉛直軸の周りを枢動するように構成され、それによってさらに腕支持体組立体が脊柱体に対して動き得る。第１のリンクは、第１の鉛直軸の周りで取付バーに対して枢動する。第１および第２のリンクは、第２の鉛直軸の周りに互いに枢動する。第２および第３のリンクは、第３の鉛直軸の周りに互いに枢動する。第３のリンクおよび腕支持体組立体は、水平軸の周りに互いに対して枢動する。
【００１１】
[0011]さらに別の実施形態では、外骨格体は、取付バーを備える。腕支持体組立体、第１のリンク、第２のリンク、および腕支えは、支持腕の少なくとも一部を形成する。取付バーは支持腕を脊柱体に接続する。取付バーは、支持腕が脊柱体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより外骨格体が調節されて異なる着用者に適合する。外骨格体は、戻り止めレールをさらに備える。戻り止めレールは、腕支えを腕支持体組立体に接続する。戻り止めレールは、腕支えが腕支持体組立体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより、外骨格体が調節されて異なる着用者に適合することがさらに可能になる。
【００１２】
[0012]好適な実施形態では、腕支持体組立体、第１のリンク、第２のリンク、および腕支えは、支持腕の少なくとも一部を形成する。支持腕は、脊柱体に接続されるときに支持腕の着用者の肩の上を通過しない。また、外骨格体は、腕支持体組立体によって提供される補助力の量を制御するように構成された電子制御システムを含まない。外骨格体が、水平軸に対して腕支持体組立体の枢動位置を検知するように構成されたセンサを含まない。外骨格体は、補助トルクを生成するように構成された動力付き電気式、油圧式、または空気圧式アクチュエータを含まない。さらに、脊柱体に対して、第１および第２のリンクが横断方向平面内を移動するだけである。
【００１３】
[0013]本発明のさらなる目的、特徴および利点は、図面と併せて本発明の以降の詳細な説明から容易に明らかになり、図面において同じ参照番号はいくつかの図において対応する部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】[0014]本発明に係る外骨格体の正面図である。
【図１Ｂ】[0015]外骨格体の背面図である。
【図２】[0016]外骨格体の取付バーと腕支持体の斜視図である。
【図３】[0017]回転軸を示す取付バーおよび腕支持体の１つの斜視図である。
【図４Ａ】[0018]外骨格体の腕支持体組立体の一部の斜視図である。
【図４Ｂ】[0019]図４Ａに示した腕支持体組立体の一部の断面図である。
【図５】[0020]外骨格体の戻り止めレールと腕支えの斜視図である。
【図６】[0021]図６Ａは、外骨格体と着用者の斜視図である。[0022]図６Ｂは、外骨格体と着用者の別の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
[0023]本発明の詳細な実施形態が本明細書に開示される。しかしながら、本発明の開示された実施形態は、様々な代替形態での例示的な具現化することができる単なる例示であることが理解されるべきである。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、いくつかの特徴が誇張または最小化されて特定の構成要素の詳細を示す場合がある。従って、本明細書に開示された特定の構造および機能の詳細は、限定としてでなく、本発明を利用する当業者に教示するための単に代表的な基礎として解釈されるべきである。
【００１６】
[0024]最初に図１Ａおよび図１Ｂに参照すると、本発明による外骨格体１００が示される。図１Ａは、外骨格体１００の正面図を提供し、図１Ｂは背面図を提供する。図示の実施形態では、外骨格体１００はベストの形態を取り、人が着用可能であり、自分の腕が完全に外骨格体１００によって支持されている間、着用者が仕事をすることを可能にする。構成要素の中で、外骨格体１００は、第１および第２のショルダストラップ１０５、１０６を有し、着用者が自分の腕をそれに通して外骨格体１００を身に着ける。胴支持体は、着用者の胴にしっかりと連結されるように構成される。図示の実施形態では、胴支持体は、確実に自分の腰で着用者に連結されるように構成されたベルト１１０の形態を取る。外骨格体１００は、外骨格体１００のための背骨として働く脊柱体１１５によって支持され、負荷の重さが外骨格体１００の上部から腰ベルト１１０に移動する。重さは、次いで、着用者の脚またはさらに外骨格体１００の一部例えば脚支持体のどちらかを介して支持面に移動され得る。脊柱体１１５は、伸縮する上下脊柱部材１１５Ａおよび１１５Ｂなどを有することで、脊柱体１１５の長さは、ばね戻り止めボタン１２０と対応する穴（そのうちの１つが１２５と付番される）を使用することで調節可能である。背当て板および当て１３０は、脊柱体１１５、特に脊柱部材１１５Ａに連結され、割締めボルト組立体１３５で適所に保持される。ヘッドレスト１４０は、脊柱体１１５の脊柱部材１１５Ａの上部に連結される。ヘッドレスト１４０は、着用者の首と頭に人間工学的支持を提供するように構成され、特に着用者が自分の腕を自分の頭または頭より上に必要とする作業を行っている場合である。別の実施形態では、安全帽または作業用ヘルメットを身に着ける着用者に対応するために、ヘッドレスト１４０は、ショルダストラップ１０５、１０６に取り付けられたネックロールと置き換えられ、ネックロールが着用者の首と頭に人間工学的支持を提供する。腕取付バー１４５は、脊柱体１１５の脊柱部材１１５Ａにも連結される。腕取付バー１４５は、割締めおよび４つのボルト（総称して１５０と表示）で所定の位置に保持され、腕取付バー１４５が脊柱体１１５に対し、よって着用者の肩の軸にも調節可能とされる。この調節によって、着用者の肩が腕支持体１５５および１５６の枢動点に固定されて着用者に確実に正しく適合する。ある特定の構造は、外骨格体１００の特定の部分の連結および調節性を提供するために使用されるものとして説明されてきたが、このような目的を達成するための当技術分野で公知の各種接続配置があることを認識すべきである。
【００１７】
[0025]ここで図２を参照すると、腕取付バー１４５と腕支持体１５５、１５６が外骨格体１００の残りから分離して示される。腕支持体１５５、１５６が腕取付バー１４５に取り外し可能に連結されて、腕支持体１５５、１５６は、脊柱体１１５（図２には図示せず）から異なる距離でソケット（その１つは２００と表示される）に固定され得て、それによって外骨格体１００が異なる着用者に調節され得る。具体的には、腕支持体１５５、１５６は、選択されたソケット２００に嵌合し且つ高速ピン（図示せず）によって適所にロックされるテーパコネクタ２０５、２０６を含む。１つの好ましい実施形態では、腕取付バー１４５が合計８つのソケット２００を有し、脊柱体１１５の各側に４つのソケット２００がある。これにより大部分の着用者を収容するのに十分な調節が提供されることが分かる。しかし、より多くのまたはより少ない数のソケット２００が他の実施形態で提供され得る。或いは、他の実施形態では、外骨格体１００を異なる着用者に合わせて調節できるように、ソケットの代わりに伸縮式チューブまたはリニアスライドを使用することができる。
【００１８】
[0026]腕支持体１５５および１５６は、それぞれが２つのリンクを含む肩リンク組立体２１０および２１１をそれぞれ含む。具体的には、腕支持体１５５の肩リンク組立体２１０は、第１リンク２１５および第２リンク２２０を含み、腕支持体１５６の肩リンク組立体２１１は、第１リンク２１６および第２リンク２２１を含む。各リンク２１５、２１６、２２０および２２１それぞれの端に１つずつ、２つの枢軸が含まれる。この設計は、着用者の腕の支持と腕の動きの追加の程度を提供し、着用者のために十分な動きの自由をもたらす。加えて、この設計は、各腕支持体１５５、１５６が通常の活動中に自己整合することを可能にする。肩リンク組立体２１０、２１１毎に２つのリンクの連鎖を利用することにより、運動冗長性（kinematic redundancy）が提供される。この運動冗長性は本発明の重要な特徴である。当該技術分野で知られる装置は、一般に着用者の肩関節と運動学的に整列した肩関節を提供しようと試みる。しかし、人間の肩は３自由度の球窩（ball-and-socket）なので、このことは非常に困難である。さらに、人間の肩は肩甲骨に連結されており、これは人間の背骨に対して少なくとも２つの自由度を有する。結果として、この複雑な動きを模倣しようとする当技術分野で知られる装置は、大きくて扱いにくい傾向がある。肩リンク組立体２１０および２１１の二重リンクは、運動学的に十分に定義されていないが、複雑な人間の肩の幾何学的形状に一致させることなく、外骨格体１００を着用者の肩の位置に自己整合させる。当技術分野において、運動学的連鎖（kinematic chain）を過小評価することは貧弱な方法であることが一般的に教示されるが、ここで効果的なのは、外骨格体１００によって提供されるばね補助（後述）が肩リンク組立体２１０、２１１の枢軸に直交して動作し、よって肩リンク組立体２１０、２１１に好ましくない動きを起こさせないことである。さらに、外骨格体１００の多くは、着用者およびその腕および肩の後ろに位置し、外骨格体１００が妨げない着用者の作業空間を残す。同様に、着用者の直上の空間が開いたままであり、着用者の頭部および他の器具との干渉を低減する。この設計の利点により、本発明の好ましい実施形態では、腕支持体１５５および１５６は、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、着用者の肩を越えることなく代わりに着用者の胴の側部を回る。
【００１９】
[0027]第３のリンク２２５および２２６は、肩リンク組立体２１０および２１１をそれぞれの腕支持体組立体２３０および２３１にしっかりと連結する。各腕支持体組立体２３０および２３１は、内部気体ばね、カム、およびカム従節を含み、図４Ａおよび４Ｂに示され且つこれらに関連してより詳細に説明する。各腕支持体組立体２３０および２３１は、重力をほぼ相殺する支持輪郭を生成し、着用者が腕を鉛直方向下方に動かすにつれて支持が徐々に減少する状態で、水平腕位置で最大の支持を提供する。もちろん、特定の実施形態では、特定の作業を補助するために重力と正確に一致しない支持輪郭を提供することが望ましい。例えば、着用者が工具を頭上で保持し腕が水平であるときに工具を保持していない場合、腕支持体組立体２３０および２３１は、補助が着用者の腕が水平より上にあるときに最大で、腕は水平またはそれ以下であるときにより小さいように構成され得る。図示されていないが、腕支持体組立体２３０および２３１は、気体ばねを下方位置または圧縮位置にロックするそれぞれのロックアウトスイッチ（lock-out switch）を含み、それによって、腕支持体１５５および１５６を、着脱のために腕支持体１５５および１５６を不活性に維持する中立モードにする。気体ばねの使用が好ましいが、本発明に関連して、金属ばねのような当技術分野で公知の他の種類のばねを使用し得ることにも留意されたい。典型的には、外骨格体１００は、腕支持体１５５、１５６の各々を介して４．５〜１１．３キログラム（１０〜２５ポンド）の支持を提供するように構成される。しかしながら、この量は、着用者および関連する工具によって完了される特定の課題に応じて変えることができる。
【００２０】
[0028]腕支え２３５および２３６は、腕支持体組立体２３０および２３１にそれぞれ連結され、着用者の腕のための人間工学的支持を提供する。また、腕支え２３５および２３６は、調節可能な腕支えストラップ２４０および２４１を使用して着用者の腕を外骨格体１００にしっかりと連結する。好ましい実施形態では、腕支え２３５および２３６は、着用者の上腕に、即ち、腕支え２３５および２３６のうちの１つは、着用者の肘と肩との間の腕の１つに連結されるように構成される。各腕支持体１５５および１５６は、戻り止めレール２４５および２４６を含み、各腕支え２３５および２３６は、戻り止めレール２４５および２４６の対応する１つ上の異なる調節点と相互作用する留め金を有する（図５に示され、それについては後述する）。これにより、腕支え２３５および２３６が快適さのために調節され、異なる腕の長さに適合させることができる。さらに、この調節により、腕支持体組立体２３０および２３１による腕支え２３５および２３６に提供される補助の量が腕支えの距離に基づいて変化するので、外骨格体１００によって提供される補助の量を着用者が迅速に変更する便利な方法が提供される。というのは腕支持体組立体２３０、２３１によって提供される補助の量が、腕支持体組立体２３０、２３１から腕支え２３５および２３６の距離に基づいて変化するからである。
【００２１】
[0029]図３を参照すると、腕支持体１５６および腕取付バー１４５のみが示される。しかしながら、以下の議論は、腕支持体１５５にも等しく当てはまる。図３は、腕支持体１５６の枢軸、特に、第１のリンク２１６、第２のリンク２２１、第３のリンク２２６、および腕支持体組立体２３１の枢軸を示す。この配置によって、腕支持体１５６が第１、第２、および第３の鉛直軸３００、３０１、３０２の周りに横断方向平面に動くことを可能となる。好ましくは、第１のリンク２１６、第２のリンク２２１、および第３のリンク２２６は、（脊柱体１１５に対して）横断方向平面内でのみ移動する。軸３００−３０２の周りの動きは一般に自由である。しかしながら、いくつかの実施形態では、軸３００−３０２の周りの運動は、小減衰またはばね負荷を有して望ましくない振動を防止し得るが、この減衰またはばね負荷は一般に小さいことが理解されるべきである。さらに、腕支持体組立体２３１は、肩リンク組立体２１１および第３リンク２２６の向きに応じて、矢状面、冠状面、または矢状面および冠状面の中間の平面内の水平軸３０５の周りで横断方向平面に直交して回転する。軸３０５の周りの動きは、腕支持体組立体２３１によって生成される指示輪郭によって増強される。従って、外骨格体１００は、着用者の腕に、矢状面、冠状面、または中間面の補助を提供するが、一方で着用者の他の方向の動きを妨害しない。「鉛直」および「水平」という用語が上記で使用されるが、この説明は着用者が完全に直立することを前提とすることを認識すべきである。着用者がウエストで曲げられる場合、例えば、軸３００−３０２は正確に鉛直ではないことがもちろん認識されるであろう。さらに、着用者が完全に直立していても、軸３００−３０２および３０５は正確に鉛直または水平である必要はない。同様に、腕支持体１５６は、着用者が完全に直立するとき、正確に横断方向平面、矢状面または冠状面（又は矢状面及び冠状面の中間の面）で動く必要はない。代わりに、これらの用語の全ては、±１０度のような偏差を包含することを意図する。
【００２２】
[0030]ここで図４Ａおよび４Ｂを参照すると、腕支持体組立体２３０、２３１の１つの内部が示される。上述したように、各腕支持体組立体２３０および２３１は、カムとカム従節と共に、ばね、好ましくは気体ばねを含む。より具体的には、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、カム輪郭を有するカム４００がカム従節４０５と相互作用する。また、全体的に符号４１０で示されるばねが設けられ、ばね４１０で生成される真っ直ぐの力によってカム従節が押圧されてカム４００と接触する状態にある。特に、ばね４１０のプランジャ４１２はカム従動４０５に接触する。その結果、カム４００のカム従節４０５に対する回転運動は、ばね４１０の作用によって様々な程度まで抵抗される。この抵抗は、腕支持体組立体２３０および２３１によって生成される補助力として作用する。さらに、上述のように、カム輪郭４００は、腕支持体組立体２３０および２３１の相対回転または枢動位置に応じて、残りの腕支持部１５５、１５６と比較して、より具体的にはリンク２１５、２１６、２２０、２２１、２２５および２２６と比較して、異なる量の補助トルクを提供するように構成され得る。さらに、上述したように、気体ばね以外のばねが、腕支持体組立体２３０、２３１に用いられ得る。腕カム輪郭４００およびカム従節４０５と共にばね４１０を使用することにより（留意すべきことであるが、特にスプリング側荷重が特別な関心事ではないときに、スプリングが、介在されたカム従節を有するのではなくカムに直接当接するようにすることが可能である）、有利には、外骨格体１００は、センサまたは電子制御システムのような電子機器や使用せずに着用者に補助を提供することを可能にする。より具体的には、外骨格体１００は、好ましくは、腕支持体組立体２３０および２３１によって提供される補助力の量を制御するように構成された電子制御システム、または腕支持体組立体２３０および２３１の水平軸３０５に対する枢動位置を検知するように構成されたセンサを含まない。従って、外骨格体１００はまた、電源、例えばバッテリを必要としない。加えて、電動油圧式、空気圧式、または電気式アクチュエータは必要としない。しかし、望まなくても、そのような特徴は、必要に応じて本発明に組み込むことができることを認識すべきである。
【００２３】
[0031]図５を参照すると、腕支持体１５６の戻り止めレール２４６および腕支え２３６が示される。しかしながら、以下の議論は、腕支持体１５５の戻り止めレール２４５および腕支え２３５にも同様に当てはまる。戻り止めレール２４６は、複数のノッチ（そのうちの１つは５００と表示される）を含み、腕支え２３６は、ノッチ５００の１つに選択的に配置することができる留め金５１０を有する枢動ラッチ５０５を含んで、腕支え２３６を腕支持体組立体２３１に対して異なる距離に配置して保持することができる。ばね５１５は、ラッチ５０５をラッチ位置に付勢し、そこで留め金５１０が１つのノッチ５００に保持される。ラッチ５０５が押されると、ラッチ５０５が留め金５２０を中心に枢動し、これにより留め金５１０がそのノッチ５００から出る。この時点で、腕支え２３６は、戻り止めレール２４６に対して変位することができる。解放ラッチ５０５は、変位後に、留め金５１０が次のノッチ５００に入ることになる。上述したように、これにより外骨格体１００を異なる着用者に調節され、適合させることが可能になり、着用者は腕支持体組立体２３１によって提供される補助の腕を調節することができる。しかしながら、上述したように、本発明に関連して他の調節機構を使用することができる。これは、腕支え２３５および２３６、並びに調節可能な外骨格体１００の他の部分、例えば脊柱体１１５および腕支持体１５５および１５６に対して当てはまる。
【００２４】
[0032]図６Ａおよび図６Ｂは、例示的な作業活動中に着用者６００によって着用される外骨格体１００を示す。特に、着用者６００は工具６０５を保持しており、外骨格体１００は着用者６００の腕６１０、６１１に補助トルクを与えて重力に抗し、それによって腕６１０、６１１および工具６０５を支持する。補助トルクは腕支持体組立体２３０および２３１によって提供される一方で、リンク２１５、２１６、２２０、２２１、２２５、２２６によって、着用者６００が腕６１０、６１１を所望の位置に位置決めすることを可能になる。
【００２５】
[0033]腕支持体組立体２３０および２３１によって提供される補助または補助トルクに関して、腕支持体組立体２３０および２３１の枢動位置に基づいて変化することに加えて、異なる量の補助が異なる実施形態において提供されることを理解するべきである。例えば、一実施形態では、腕支持体組立体２３０および２３１は、典型的な腕または典型的な腕プラスある種の工具に、本質的に無重力を与えるような量の補助を提供するように構成することができる。或いは、腕支持体組立体２３０および２３１は、この量の補助のいくらかの割合、例えば、好ましくは少なくとも５０％を提供するように構成することができる。本発明による外骨格体が、所定の重量を有する既知の工具を含む特定の作業のために設計される場合、この工具の重量を考慮に入れることができる。ただし、これは必須ではない。例えば、より一般的な外骨格体は、本発明に従って構成することができ、この外骨格体は、典型的な着用者の腕を無重力にするように設計される。結果として、そのような外骨格体の着用者が工具を使用する場合、着用者は、その腕の重量ではなく、工具の重量を支持するだけでよい。同様に、外骨格体は、２．３キログラム（５ポンド）の工具と典型的な着用者の腕を無重力にするように設計される本発明に従って構成することができる。そのような場合、重い道具が使用される場合、着用者は余分な重量を支えるだけでよい。さらに、腕支持体組立体２３０および２３１によって提供される補助の量は同じである必要はない。これは、例えば着用者が主に自分の支配的な手で工具を使用する状況において望ましいことがある。
【００２６】
[0034]容易に理解されるように、本発明は、上記に基づいて、着用者の腕および様々な道具の重量を直接支持することによって着用者を補助する外骨格体を提供し、それによって着用者の体力および持久力を増加させ、怪我を防止する。好ましい実施形態を参照して記載されるが、本発明の精神から逸脱することなく、様々な変更または修正を行うことができることは容易に理解されるべきである。例えば、外骨格体１００はベストとして示されるが、本発明による外骨格体は他の形態を取ることができる。例えば、腕支持体は、ユーザの作業空間内のテーブルまたは椅子のような物理的物体に連結することができる。さらに、ベストの着用者は、落下防止のために安全ハーネスを着用しなければならない場所で働く可能性がある。安全ハーネスは着用者の肩甲骨の間に位置するストラップリングを有する。別の実施形態では、外骨格体ベストの胴支持脊柱は、「Ｙ字型」または２列支持脊柱に再構成され得る。これらの代替的な脊柱体構造の各々は、作業者が外骨格体ベストの下に安全ハーネスを着用することを可能にし、ハーネスのストラップリングに容易にアクセスできるようにする。一般に、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることを意図するものである。
以上説明したように、本発明は以下の形態を有する。
［形態１］
外骨格体であって、
第１の鉛直軸の周りを横断方向平面内で枢動するように構成された第１のリンクと、
前記第１のリンクに連結され、第２の鉛直軸の周りで且つ横断方向平面内で枢動するように構成された第２のリンクと、
前記第２のリンクに連結され、水平軸を中心に枢動するように構成された腕支持体組立体であって、重力に逆らう補助トルクを発生するように構成されたばねを含み、着用者の腕に補助トルクを提供して前記着用者の前記腕を支持するように構成され、カム輪郭とカム従節とをさらに含み、前記腕支持体組立体によって提供される補助力の量が前記ばね、前記カム従節、および前記カム輪郭間の接触によって決定されるように構成された、腕支持体組立体と、
前記腕支持体組立体に連結され、前記着用者の前記腕に連結されるように構成された腕支えと、を備える外骨格体。
［形態２］
前記カム輪郭は、前記腕支持体組立体によって与えられる前記補助力が、前記水平軸に対する前記腕支持体組立体の回動位置に応じて変化するように構成される、形態１に記載の外骨格体。
［形態３］
前記ばねが気体ばねである、形態１に記載の外骨格体。
［形態４］
着用者の胴に連結されるように構成された胴支持体と、
前記着用者の腕の重量を前記胴支持体に移動させるように構成された脊柱体とをさらに備え、前記第１および前記第２のリンクによって前記腕支持体組立体が前記脊柱体に接続され、それにより前記腕支持体組立体が前記脊柱体に対して動くようにされる、形態１に記載の外骨格体。
［形態５］
取付バーと、第３のリンクと、戻り止めレールと、をさらに備え、
前記取付バーは前記脊柱体に直接連結され、
前記第１のリンクは、前記取付バーに直接連結された第１の端部と、前記第２のリンクの第１の端部に直接連結された第２の端部とを含み、
前記第２のリンクは、前記第３のリンクの第１の端部に直接連結された第２の端部を含み、
前記第３のリンクは、前記腕支持体組立体に直接連結された第２の端部を含み、
前記戻り止めレールは、前記腕支持体組立体および前記腕支えに直接連結され、
前記取付バーは、前記第１のリンクが前記脊柱体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより前記外骨格体が調節されて異なる着用者に適合し、
前記戻り止めレールは、前記腕支えが前記腕支持体組立体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより前記外骨格体が調節されて異なる着用者に適合し、
前記第３のリンクは、横断方向平面において第３の鉛直軸の周りを枢動するように構成され、それによりさらに前記腕支持体組立体が前記脊柱体に対して動き、
前記第１のリンクは、前記第１の鉛直軸の周りで前記取付バーに対して枢動し、
前記第１および第２のリンクは、前記第２の鉛直軸の周りに互いに枢動し、
前記第２および第３のリンクは、前記第３の鉛直軸の周りに互いに枢動し、
前記第３のリンクおよび前記腕支持体組立体は、前記水平軸の周りに互いに枢動する、形態４に記載の外骨格体。
［形態６］
前記腕支えは、前記着用者の肘と前記腕の肩との間の前記腕に連結されるように構成される、形態１に記載の外骨格体。
［形態７］
取付バーをさらに備え、
前記腕支持体組立体、前記第１のリンク、前記第２のリンク、および前記腕支えは、支持腕の少なくとも一部を形成し、
前記取付バーは前記支持腕を前記脊柱体に接続し、
前記取付バーは、前記支持腕が前記脊柱体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより外骨格体が調節されて異なる着用者に適合する、形態４に記載の外骨格体。
［形態８］
戻り止めレールをさらに備え、
前記戻り止めレールは、前記腕支えを前記腕支持体組立体に接続し、
前記戻り止めレールは、前記腕支えが前記腕支持体組立体に対して複数の異なる位置に配置されるように構成され、それにより前記外骨格体が調節されて異なる着用者にさらに適合する、形態７に記載の外骨格体。
［形態９］
前記腕支持体組立体、前記第１のリンク、前記第２のリンク、および前記腕支えは、支持腕の少なくとも一部を形成し、前記支持腕は、前記脊柱体に接続されるときに前記支持腕の着用者の肩の上を通過しない、形態４に記載の外骨格体。
［形態１０］
前記腕支持体組立体によって提供される補助力の量を制御するように構成された電子制御システムを含まない、形態１に記載の外骨格体。
［形態１１］
前記水平軸に対して前記腕支持体組立体の枢動位置を検知するように構成されたセンサを含まない、形態１に記載の外骨格体。
［形態１２］
前記補助トルクを生成するように構成された電動式、油圧式、または空気圧式アクチュエータを含まない、形態１に記載の外骨格体。
［形態１３］
前記第１および前記第２のリンクが、前記脊柱体に対して前記横断方向平面内を移動するだけである、形態４に記載の外骨格体。
［形態１４］
前記腕支持体組立体は、矢状面、冠状面、または矢状面および冠状面の中間の面で前記水平軸を中心に枢動するように構成される、形態４に記載の外骨格体。
［形態１５］
外骨格体を有する着用者の腕に補助トルクを提供する方法であって、前記外骨格体が、第１の鉛直軸の周りを横断方向平面内で枢動するように構成された第１のリンクと、前記第１のリンクに連結され第２の鉛直軸の周りで且つ横断方向平面内で枢動するように構成された第２のリンクと、前記第２のリンクに連結され水平軸を中心に枢動するように構成され、ばね、カム輪郭、およびカム従節を含む腕支持体組立体と、前記腕支持体組立体に連結され着用者の腕に連結されるように構成された腕支えと、を備え、方法は、
重力に逆らう補助トルクを前記ばねで発生させるステップと、
前記腕支持体組立体で前記着用者の前記腕に前記補助トルクを提供し前記着用者の少なくとも前記腕を支持するステップと、
前記カム輪郭および前記カム従節を用いて前記腕支持体組立体によって与えられる前記補助力の量を決定するステップと、を含む補助トルクを提供する方法。
［形態１６］
前記腕支持体組立体によって与えられる前記補助力を、前記腕支持体組立体が水平軸に対して枢動する位置に応じて変化させるステップをさらに含む、形態１５に記載の方法。
［形態１７］
前記腕支持体組立体の前記ばねが気体ばねであり、前記補助トルクを発生させるステップは、前記気体ばねを用いて前記補助トルクを発生させるステップを含む、形態１５に記載の方法。
［形態１８］
前記外骨格体がさらに、前記着用者の胴に連結されるように構成された胴体支持と、脊柱体と、を備え、方法は、
前記着用者の前記腕の重さを、前記脊柱体を用いて前記胴支持体に移動させるステップであって、
前記第１および前記第２のリンクによって前記腕支持体組立体が前記脊柱体に接続され、それにより前記腕支持体組立体が前記脊柱体に対して動く、ステップをさらに含む、形態１５に記載の方法。
［形態１９］
前記腕支持体組立体によって提供される補助力の量を電子制御システムで制御するステップ、
センサを用いて前記水平軸線に対する前記腕支持体組立体の枢動位置を検知するステップ、または、
電動アクチュエータ、油圧アクチュエータ若しくは空気圧アクチュエータによって前記補助トルクを発生させるステップを含まない、形態１５に記載の方法。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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