(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
腕部支持外骨格において、
人の上腕に連結されるように構成された腕部リンク機構を有し、
上記腕部リンク機構は、
近位リンクと、
第１回転軸の周りで上記近位リンクに対して回転するように構成される遠位リンクと、
上記遠位リンクに取り付けられ、上記人の上記上腕を上記遠位リンクに連結するように適合化された少なくとも１つの腕部カプラと、
上記近位リンクと上記遠位リンクとに結合され、上記近位リンクと上記遠位リンクとの間にトルクを発生させるように構成された少なくとも１つのトルク発生器と、
実質的に上記第１回転軸の回転ジョイントに位置し、上記少なくとも１つのトルク発生器を拘束するように構成された突起とを有し、
上記近位リンクと上記遠位リンクとの間の角度がトグル角度より小さいとき、上記少なくとも１つのトルク発生器により上記近位リンクと上記遠位リンクとの間に発生させられるトルクが、第１のトルクモードのトルクか、またはそれを越えている状態を維持し、
上記近位リンクと上記遠位リンクとの間の角度がトグル角度より大きいとき、上記少なくとも１つのトルク発生器により上記近位リンクと上記遠位リンクとの間に発生させられるトルクが、第２のトルクモードのトルクか、またはそれを下回っている状態を維持することを特徴とする腕部支持外骨格。
【請求項２】
上記少なくとも１つのトルク発生器が引張力発生器を有し、上記引張力発生器が、第１端部と第２端部とを有し、上記引張力発生器が当該引張力発生器の上記第１端部において上記近位リンクに結合され、当該引張力発生器の上記第２端部において上記遠位リンクに結合され、
上記引張力発生器における引張力がトルクを発生させて上記遠位リンクを上記近位リンクに対して屈曲させる請求項１記載の腕部支持外骨格。
【請求項３】
上記引張力発生器は、コイルばね要素と、上記コイルばね要素を上記近位リンクに連結する線要素と、上記遠位リンクに結合されたプーリーとを有し、上記線要素が上記近位リンクに連結される前に、上記線要素は上記プーリーを少なくとも部分的に取り囲む請求項２に記載の腕部支持外骨格。
【請求項４】
上記近位リンクは、上記少なくとも１つのトルク発生器に連結された上部ブラケットを有し、上記上部ブラケットの位置は、上記少なくとも１つのトルク発生器によって付与されるトルクを調整するために上記近位リンクに沿って調整可能である請求項１に記載の腕部支持外骨格。
【請求項５】
上記遠位リンクが、上記少なくとも１つのトルク発生器に結合された下部ブラケットを有し、上記下部ブラケットの位置が上記少なくとも１つのトルク発生器によって付与されるトルクを調節するために上記遠位リンクに沿って調節可能である請求項１に記載の腕部支持外骨格。
【請求項６】
上記少なくとも１つの腕部カプラが、上記遠位リンクに結合され、かつ上記人の上記上腕に上向きの力を加えることができる耐荷重カプラを有する請求項１に記載の腕部支持外骨格。
【請求項７】
上記腕部リンク機構が上記人の上記上腕に連結されたときに、上記第１回転軸が上記人の関節窩上腕関節をほぼ通る、請求項１に記載の腕部支持外骨格。
【請求項８】
上記第１回転軸と実質的に直交する第２回転軸の周りに作用する少なくとも１つの水平回転ジョイントをさらに有する請求項１に記載の腕部支持外骨格。
【請求項９】
さらに、上記腕部リンク機構に結合されるように構成され、さらに上記人の体幹に結合されるように構成された肩部基部を有し、上記少なくとも１つのトルク発生器によって発生されたトルクが上記第１のトルクモードまたはそれを上回る状態のままであるとき、上記少なくとも１つの腕部カプラによって上記人の上記上腕に力が加えられ、反力およびトルクが肩部基部に加えられ、これによって、上記人の上記上腕を上げるために必要な人間の肩の力とトルクを減らし、かつ、上記少なくとも１つのトルク発生器によって発生されたトルクが上記第２のトルクモードまたはそれを下回る状態のままであるとき、上記人は自由に上記上腕を動かすことができる請求項１に記載の腕部支持外骨格。
【請求項１０】
上記肩部基部が、上記腕部リンク機構を上記肩部基部に迅速に接続および切断するように動作可能な少なくとも１つの肩部ブラケットをさらに有する、請求項９に記載の腕部支持外骨格。
【請求項１１】
上記肩部基部は、
上記腕部リンク機構に結合されるように構成され、上記肩部基部に加えられる反力およびトルクを支持するようにさらに構成される、耐荷重構造体と、
上記肩部基部が上記人の上記体幹と一致して動くように動作可能であるように、上記耐荷重構造体を上記人の上記体幹に結合するように構成された結合機構とをさらに有する請求項９に記載の腕部支持外骨格。
【請求項１２】
上記耐荷重構造体は、
実質的に上記人の背中の後ろに位置するように構成された背中フレームと、
少なくとも１つの腰部負荷ベルトとを有し、
上記背中フレームは上部フレームと下部フレームとを有し、
さらに、上記上部フレームは上記腕部リンク機構に結合され、上記腕部リンク機構から上記肩部基部に加えられる反力およびトルクの少なくとも一部を支持するように構成され、上記下部フレームは上記上部フレームに結合され、上記上部フレームに加えられる上記反力および上記トルクの少なくとも一部を支持するように構成され、
上記少なくとも１つの腰部負荷ベルトは、上記下部フレームに連結されて、上記少なくとも１つの腰部負荷ベルトは、上記反力および上記トルクの少なくとも一部を上記背中フレームから上記人の腰に伝達するように構成されている請求項１１記載の腕部支持外骨格。
【請求項１３】
上記下部フレームに対する上記上部フレームの位置は、上記人の胴の高さに対応するように上記人の背骨に実質的に平行な軸に沿って調整可能である、請求項１２に記載の腕部支持外骨格。
【請求項１４】
上記肩部基部が、体幹支持外骨格に結合されるように構成されている、請求項９に記載の腕部支持外骨格。
【請求項１５】
上記肩部基部が、脚部支持外骨格に連結されるように構成されている、請求項９に記載の腕部支持外骨格。
【請求項１６】
少なくとも１つの安全ハーネス取り付け点をさらに含み、上記肩部基部は、上記安全ハーネス取り付け点を使用して、上記人が着用する安全ハーネスに結合するように適合可能である、請求項９に記載の腕部支持外骨格。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体の腕部の支持装置の技術に関し、より具体的には、腕部上昇時に人体の肩部にかかるモーメントを減少するように構成された腕部支持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
腕部の重量を支持するように構成された人の胴体に取り付けられた受動的リフト装置の例は、米国特許第９，２０５，０１７Ｂ２号および米国特許出願公開第２０１４／０１５８８３９Ａ１号に見ることができる。このような装置は、ユーザが上腕を横に置きたいとき、または工具ベルトから工具を選ぶときに自動的に支援を中断したり、実質的に支援を減らしたりすることができないため、制限されたものと考えられる。このような装置は、支持トルクが自動的にゼロに減少する、持続的な位置範囲を提供しない。いくつかの位置を除いて、これらの装置は、ユーザの上腕に常に持ち上げ力を加え、支援が望ましくない非作業姿勢時の動きを妨げ、不快感を引き起こす可能性がある。
【０００３】
一般に、工具の重量を支える人を支援するように構成された受動的支持装置は、当技術分野で知られている。典型的な受動装置は、構造要素、バネ、ケーブルおよび滑車の組み合わせを用いて、ある範囲の位置で重力を補償するように構成される。これらの装置の構成は、限定された運動範囲内で重力補償を提供する。さらに、これらの装置は、実質的にゼロのトルク??を提供することを可能にしない。受動リフト支援装置の例は、米国特許第６，８２１，２５９Ｂ２号明細書および同第７，３２５，７７７号明細書に見出すことができる。このような装置は、ユーザが新しい場所に移動するたびにそのベースを再配置する必要があるため、機能面でかなり制限されていると考えられる。人の胴体に装着されてツールの重量を支持する受動的リフト支援装置の例は、米国特許第７，６１８，０１６Ｂ２号および米国特許出願公開第２０１５／００２６９Ａ１号を含む。このような装置は、ユーザの動きに正確に追従しないかさばるフレームのために、かなり制約的なものと考えられる。
【発明の開示】
【０００４】
ここで説明する本発明は、上腕を上げるための支持トルクをユーザに付与し、それによって上腕を上げるのに必要な人の肩の力およびトルクを低減する。しかしながら、ユーザが上腕を横に置き、または工具ベルトから工具を選ぶことを意図するとき、本発明の装置は、持ち上げ力をゼロ（または実質的に小さな値）に自動的に減少させ、着用者の上腕を自由に動かせるようにする。非作業姿勢の間に、人の上腕の自由な動きを許容するために、または人の上腕が支援装置から加えられたトルクのインピーダンスなしで静止できるように、ゼロ（または実質的に小さい）トルクが望ましい。これは、非作業姿勢の間に、より大きな全体的な快適さをユーザにもたらす。
【０００５】
実施例において、人体に結合されるように構成された腕部支持外骨格は、人の胴体に結合されるように構成された肩部基部と；前記肩部基部に連結される腕部リンク機構とを有する。前記腕部リンク機構は：人が直立しているときに、重力線にほぼ直交する第１回転軸に沿って回転ジョイントの周りに相互に回動するように構成された近位リンクおよび遠位リンクと；人の上腕を前記遠位リンクに結合するように適合された少なくとも１つの腕部連結器と；引張力発生器であって、当該引張力発生器の第１端部で前記近位リンクに連結され、当該引張力発生器の第２端部で前記遠位リンクに結合され、前記遠位リンクを前記近位リンクに対して屈曲するようにトルクを供給する前記引張力発生器と；実質的に前記回転ジョイントに位置づけられる突起とを有する。前記遠位リンクがトグル角度を超えて延びるとき、前記突起は前記引張力発生器を拘束し、前記引張力発生器によって付与されるトルクは実質的に小さいままであり、前記突起が前記引張力発生器を拘束しないとき、人の上腕を上げるのに必要な人の肩の力およびトルクを減少させる。
【０００６】
実施例において、人体に連結されるように構成された腕部支持外骨格は、人の胴体に結合されるように構成された肩部基部と；前記肩部基部に連結される腕部リンク機構とを有する。前記腕部リンク機構は：人が直立しているときに、重力線にほぼ直交する第１回転軸に沿って回転ジョイントの周りに相互に回動するように構成された近位リンクおよび遠位リンクと；人の上腕を前記遠位リンクに結合するように適合された少なくとも１つの腕部連結器と；引張力発生器であって、当該引張力発生器の第１端部で前記近位リンクに連結され、当該引張力発生器の第２端部で前記遠位リンクに連結され、前記遠位リンクを前記近位リンクに対して屈曲するようにトルクを供給する前記引張力発生器とを有する。前記腕部支持外骨格が前記人体に連結され、前記近位リンクと前記遠位リンクとの間の角度がトグル角度より小さいとき、前記トルクは、前記近位リンクに対して前記遠位リンクを屈曲させる傾向を有し、これによって、前記人の上腕を持ち上げるために必要な人の肩部の力およびトルクを減少させ、前記肩部基部に反作用力およびトルクを加える。前記近位リンクと前記遠位リンクとの間の前記角度が前記トグル角度より大きいとき、前記近位リンクと前記遠位リンクとの間に実質的に小さなトルクを付与し、人が人体の前記上腕を自由に動かせるようにする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の支援装置の背面斜視図であり、ユーザの腕を伸ばした状態を示す。
【図２】本発明の腕部リンク機構の拡大図である。
【図３】本発明の腕部リンク機構の拡大背面斜視図である。
【図４】第１角度がトグル角度未満である本発明の支援装置の側面図である。
【図５】第１角度がトグル角度より大きい本発明の支援装置の側面図である。
【図６】２つの腕部リンク機構を含む本発明の腕部支持外骨格の正面斜視図である。
【図７】正面平面および幅の寸法を示す人体の正面図である。
【図８】長さ寸法を示す人の背面図である。
【図９】幅寸法を示す人の側面図である。
【図１０】背部フレームと腰部装填ベルトとを含む本発明の荷重担持構造の背面図である。
【図１１】上側フレームおよび下側フレームを含む、本発明の背部フレームの背面図である。
【図１２】脊柱フレームを含む本発明の背部フレームの背面図である。
【図１３】幅および深さ調節器を含む、本発明の上側フレームおよび下側フレームの背面図である。
【図１４】ベルト、胸部ストラップ、およびアンカーストラップを含む、本発明の連結機構の正面斜視図である。
【図１５】ベルト、胸部ストラップ、およびアンカーストラップを含む本発明の連結機構の背面図である。
【図１６】ベルト、胸部ストラップ、およびアンカーストラップを含む、本発明の連結機構の背面斜視図である。
【図１７】ベルト、肩部ストラップ、および胸骨ストラップを含む、本発明の連結機構の正面斜視図である。
【図１８】ベルト、肩部ストラップ、および胸骨ストラップを含む、本発明の連結機構の背面図である。
【図１９】ベルト、肩部ストラップ、および胸骨ストラップを有する、本発明の連結機構の背面斜視図である。
【図２０】ベルトおよびベストを含む、本発明の連結機構の正面斜視図である。
【図２１】ベルトおよびベストを含む、本発明の連結機構の背面図である。
【図２２】ベルトおよびとベストを含む、本発明の連結機構の背面斜視図である。
【図２３】安全ハーネスに接続されたベストを含む、本発明の連結機構の正面斜視図である。
【図２４】安全ハーネスに接続されたベストを含む、本発明の連結機構の背面斜視図である。
【図２５】安全ハーネスに接続されたベルトを含む、本発明の連結機構の背面斜視図である。
【図２６】ユーザの肩関節（関節窩上腕関節）に整合する第１回転軸を示す、本発明の支援装置の背面拡大斜視図である。
【図２７】ユーザの肩関節に整合する第１回転軸を示す、本発明の支援装置の背面図である。
【図２８】第２回転軸を含む、本発明の腕部リンク機構の斜視図である。
【図２９】ユーザの肩関節に整合する、図２８の第２回転軸の背面拡大図である。
【図３０】肩部基部を腕部リンク機構に連結する肩部ブラケットの斜視図である。
【図３１】肩部基部から取り外された腕部リンク機構を示す、本発明の肩部ブラケットの斜視図である。
【図３２】腕部支持外骨格の肩幅を調整可能にする、本発明の肩部ブラケットの斜視図である。
【図３３】肩甲骨回転軸を示す、本発明の肩部ブラケットの斜視図である。
【図３４】格納位置にある、本発明の腕部支持外骨格を具備するユーザの正面斜視図である。
【図３５】本発明の腕部支持外骨格の作業位置における斜視図である。
【図３６】本発明の腕部支持外骨格の格納位置における斜視図である。
【図３７】腕部連結器を含む、本発明の腕部リンク機構の斜視図である。
【図３８】腕部連結器が腕部回転ジョイントを含む、本発明の腕部リンク機構の斜視図である。
【図３９】腕部連結器が平行移動ジョイントを含む、本発明の腕部リンク機構の斜視図である。
【図４０】平行移動ジョイントを含む、本発明の腕部連結器の断面図である。
【図４１】内部外部回転ジョイントを含む、本発明の腕部連結器の正面図である。
【図４２】伸長バネを備えた、本発明のトルク発生器の側断面図である。
【図４３】本発明のトルク発生器の概略図である。
【図４４】伸長バネを備えた、本発明のトルク発生器の別の側断面図である。
【図４５】圧縮バネを備えた、本発明のトルク発生器の側断面図である。
【図４６】圧縮バネを備えたトルク発生器の別の側面断面図である。
【図４７】上側ブラケットが上昇位置にある本発明のトルク発生器の側断面図である。
【図４８】上側ブラケットが下降位置にある本発明のトルク発生器の側面断面図である。
【図４９】本発明の上側ブラケットの２つの位置に対するトルク発生器のトルクプロファイルのプロットである。
【図５０】下側ブラケットが伸長位置にある本発明のトルク発生器の側面断面図である。
【図５１】下側ブラケットが格納位置にある本発明のトルク発生器の側断面図である。
【図５２】本発明の下側ブラケットの２つの位置に対するトルク発生器のトルクプロファイルのプロットである。
【図５３】第１角度がトグル角度よりも大きい突起を有するトルク発生器の側面断面図である。
【図５４】ジョイントピンを含む突起を含む、本発明のトルク発生器の拡大側面断面図である。
【図５５】近位リンクの一部である突起を含む、本発明のトルク発生器の拡大側面断面図である。
【図５６】突起のないトルク発生器のトルクプロファイルのプロットである。
【図５７】突起を有するトルク発生器のトルクプロファイルのプロットである。
【図５８】オフセット調整ジョイントを含む、本発明のトルク発生器の側断面図である。
【図５９】増加させられたオフセット位置を示す、本発明のトルク発生器の側断面図である。
【図６０】オフセット調整ジョイントを示す、腕部リンク機構の分解斜視図である。
【図６１】オフセット調整角度の２つの値に対するトルク発生器のトルクプロファイルのプロットである。
【図６２】腕部重量トルクプロファイルと比較した、所望のトルク発生器の支持トルクプロファイルの例である。
【図６３】腕部重量トルクプロファイルと比較した、所望のトルク発生器の支持トルクプロファイルの代替例である。
【図６４】腕部重量トルクプロファイルと比較した、所望のトルク発生器の支持トルクプロファイルの代替例である。
【図６５】下肢外骨格に結合された本発明の背部フレームの正面斜視図である。
【図６６】胴体外骨格に結合された本発明の背部フレームの正面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、腕部支持外骨格（支援装置）１００の実施例を示す。腕部支持外骨格１００は、人の胴体２０２に結合されるように構成された肩部基部１０２を備える。本発明のいくつかの実施例において、肩部基部１０２は、人（ユーザ）２００の後方に実施的に位置付けられる。腕部支持外骨格１００は、肩部基部１０２に連結された少なくとも１つの腕部リンク機構１０４をさらに備える。腕部リンク機構１０４は、少なくとも近位リンク１５０および遠位リンク１５２を備え、これらは第１回転軸１５４に沿って相互に対して回転可能である。本発明のいくつかの実施例において、第１回転軸１５４は、人２００が直立しているときに重力線２０８に直交している。用語「重力線」は、重力が作用する方向を意味すると理解されるべきである。第１ジョイント１５１は、遠位リンク１５２が近位リンク１５０に対して回転するヒンジとして働く。腕部支持外骨格１００は、人の上腕２０４を腕部リンク機構１０４の遠位リンク１５２に連結する少なくとも１つの腕部連結器１０６をさらに備える。腕部連結器１０６は図２に示される。腕部支持外骨格１００は、近位リンク１５０と遠位リンク１５２との間にトルク２８０を生成するように構成された、少なくとも１つのトルク発生器１０８をさらに備える。腕部リンク機構１０４の拡大図が図３に示されている。図１および図３においてトルク２８０は、近位リンク１５０から遠位リンク１５２に印加されるトルクを示す。図４に示すように、第１角度１９３は、近位リンク１５０と遠位リンク１５２との間の角度を表す。第１角度１９３がトグル角度１９５よりも小さい場合、図４に示すように、トルク発生器１０８は、近位リンク１５０に対して遠位リンク１５２を屈曲させる傾向を有するトルク２８０を生成する。「トグル角度」という用語は、近位リンク１５０と遠位リンク１５２とが同一線上にある第１位置（例えば、腕部が持ち上げられる）と、近位リンク１５０と遠位リンク１５２が同一線上になる第２位置（例えば、腕部が下がる）との間の角度を意味する。用語「屈曲」は、第１角度１９３の減少をもたらす遠位リンク１５２の動きを意味すると理解されるべきであり、本明細書で使用される用語「伸長」は、第１角度１９３の増加をもたらす遠位リンク１５２の動きを意味すると理解されるべきである。トルク２８０は、腕部連結器１０６によって上腕２０４に支持力２１２（図２および図４に示す）を生成する。これにより、人の上腕２０４を持ち上げるのに必要な人間の肩の力およびトルクが低減され、肩部基部１０２上の反作用力２１４および反作用トルク２１５を印加する。
【０００９】
角度１９３が図５に示すようにトグル角度１９５より大きい場合、トルク発生器１０８は、近位リンク１５０と遠位リンク１５２との間に実質的に小さなトルクを供給する。「実質的に小さなトルク」という用語は、人の上腕２０４の実質的な抑制または不快感を引き起こすことのないトルクの値と理解すべきである。これにより、人２００は上腕２０４を自由に動かすことができる。図５に示す例では、ユーザの上腕２０４が下降すると、遠位リンク１５２の位置が近位リンク１５０と同一線上の位置を通過し、トルク発生器は近位リンク１５０と遠位リンク１５２との間に実質的に小さなトルクを供給する。ユーザはこの下降位置で上腕２０４を容易に操作することができる。
【００１０】
図６は、肩部基部１０２に結合された２つの腕部リンク機構１０４を含む腕部支持外骨格１００の別の実施例を示し、各々は少なくとも１つのトルク発生器１０８および少なくとも１つの腕部連結器１０６を含む。本発明のいくつかの実施例において、遠位リンク１５２は、人の上腕２０４と実質的に平行のままであるように動く。
【００１１】
図６に示すように、本発明のいくつかの実施例において、外骨支持外骨格１００の肩部基部１０２は、腕部リンク機構１０４に結合された荷重担持構造１１２と、肩部基部１０２を人の胴体２０２に取り付ける連結機構１１４とを備える。荷重担持構造１１２は、腕部リンク機構１０４からの反作用力２１４および反作用トルク２１５を支持する。図１０から図１３に示す本発明のいくつかの実施例において、反作用力２１４および反作用トルク２１５が人２００に伝達する。図６５に示されているように、反作用力２１４および反作用トルク２１５は、支持面（例えば、地面３１０）に伝達される。荷重担持構造１１２および連結機構１１４の様々な実施例を以下で説明する。
【００１２】
図７、図８、および図９は、ここでは、荷重担持構造１１２の説明において使用される様々な寸法を説明するために提示される。図７は、腰幅２３４、肩幅２３６、および人の正面平面２５０と含む、人２００の正面図を示し、図８は、胴体高さ２３２および上腕長さ２４２を含む人２００の背面図を示す。図９は、腰深さ２３８および肩深さ２４０を含む人２００の側面図を示す。
【００１３】
図１０〜図１３は荷重担持構造の種々の実施例を示す。図１０に示すように、実施例においては、荷重担持構造１１２は、腕部リンク機構１０４（図示せず）からの反作用力２１４およびトルク２１５を支持する背部フレーム１３０を有する。腰部装填ベルト１３１は、反作用力２１４および反作用トルク２１５の少なくとも一部を人の腰部２２０（図１４に示す）に伝達し、腰部反作用力２２１をもたらす。背部フレーム１３０は、肩部反作用力２２５によって示されるように、反作用力２１４の少なくとも一部を人の肩部２２４（図１４に示す）にも伝達する。背部フレーム１３０は、カスタムメイドであってよく、または、人の胴体高さ２３２、腰幅２３４、肩幅２３６、腰深さ２３８、肩深さ２４０、またはそれらの任意の組み合わせに適合するように増分的に寸法調整されてよい。本発明のいくつかの実施例において、腰部装填ベルト１３１および背部フレーム１３０は、１つのアイテムとして構成されている。
【００１４】
図１１は、腕部リンク機構１０４（図示せず）に連結された上側フレーム１３６と、上側フレーム１３６に並進可能に連結された下側フレーム１３８とを含む荷重担持構造１１２の他の実施例を示し、望ましい胴体高さ調整２３３を提供する人の胴体の高さ２３２のための下側フレーム１３８を含む。下側フレーム１３８は、腰部装填ベルト１３１に連結されるか、またはその一部である。腕部リンク機構１０４からの反作用力２１４は、上側フレーム１３６によって支持され、上側フレーム１３６は、肩部反作用力２２５によって示されるように、反作用力２１４の少なくとも一部を人の肩部２２４に伝達することができる。上側フレーム１３６は、人の肩の幅２３６および肩の深さ２４０に適合するように漸増的にサイズ付けされてもよい。下側フレーム１３８は、カスタムメイドであってもよいし、人の腰幅２３４および腰深さ２３８を含む。
【００１５】
図１２は、背部フレーム１３０が、上側フレーム１３６を下側フレーム１３８に接続する脊柱フレーム１３４をさらに含む荷重担持構造１１２のさらなる実施例を示す。脊柱フレーム１３４は、下側フレーム１３８にその下端部において回転可能に結合される人の正面平面２５０における下側フレーム１３８に対する脊柱フレーム１３４の回転を可能にする。中外側屈曲動作２６０は、脊柱フレーム１３４と下側フレーム１３８との間の動きの方向を示す。脊柱フレーム１３４は、脊柱フレーム軸に沿って脊柱の捻れ動作２６２は、脊柱フレーム１３４と上側フレーム１３６との間の動きの方向を示す。また、上側フレーム１３６は、脊柱フレーム軸１３５に沿って脊柱フレーム１３４に対して並進して、人の胴高２３２の胴体高さ調整２３３を提供する。上側フレーム１３６と脊柱フレーム１３４との間の脊柱捻れ動作２６２と、下側フレーム１３８と脊柱フレーム１３４との間の内外屈曲動作２６０との自由度の程度によって、上側フレーム１３６が人の胸部２２２（図１４に示されている）と実質的に一体的に移動でき、下側フレーム１３８が、人の腰部２２０と実質的に一体的に移動できる。
【００１６】
図１３は、下側フレーム１３８が下側中央バー１４４および２つの下側コーナーバー１４０をさらに備え、各下側コーナーバー１４０は、下側中央バー１４４上の種々の位置で下側中央バー１４４に結合でき、これによって、庶務の腰部幅調整を実現して人の腰幅２３４に適合させる。下側フレーム１３８は、当該下側フレーム１３８上の種々の位置で下側フレーム１３８に結合されてよい２つの下側サイドブラケット１４９をさらに有してよく、人の腰深さ２３８に対応するために望ましい腰深さ調整２３９を実現する。上側フレーム１３６は、上側中央バー１４２および２つの上側コーナーバー１４６をさらに有し、各上側コーナーバー１４６は、当該上側中央バー１４２上の種々の位置で当該上側中央バー１４２に結合でき、もって、人の肩幅２３６に適合するように所望の肩幅調整２３７を実現する。上側フレーム１３６は、また、２つの上側サイドブラケットを有し、各上側サイドブラケット１４８は、当該上側フレーム１３６上の種々の位置で上側フレーム１３６に結合でき、もって、人の肩深さ２４０に対応するために望ましい肩深さ調整２４１を提供することができる。上側フレーム１３６は、また、当該上側フレーム１３６に曲線を渡しかけるハンモック１２８を有し、もって、人の肩部２２４（図１４に示す）にそれぞれの肩部反作用力２２５をより均一に分配する。上側サイドブラケット、上側コーナーバー、下側サイドブラケット、および下側コーナーバーの調整には、プランジャピン、スクリュー、クランプ、摩擦ロック、ラックアンドピニオン、またはそれらの任意の組合せの使用が含まれて良い。
【００１７】
図１４〜図２２は、連結機構１１４が、ベルト取付点１１５において荷重担持構造１１２に取り付けられ、人の腰部２２０を少なくとも部分的に取り囲むベルト１１６を含む、本発明の様々な実施例を示す。ベルト１１６は人の腰部２２０と一体的に移動できる。いくつかの実施例において、ベルト１１６は、人の腰部２２０にしっかりと取り付けられるように長さを変えることができる。
【００１８】
図１４、１５および１６は、肩部基部１０２の様々な実施例を示す。図１４は、人２００を伴う肩部基部１０２の正面斜視図を示す。図１５は、人２００を伴わない肩部基部１０２の背面図を示す。図１６は、人２００を伴わない肩部基部１０２の背面斜視図を示す。この実施例において、連結機構１１４は、胸部ストラップ１１８を有する。胸部ストラップ１１８は、人の胸部２２２を少なくとも部分的に取り囲む。胸部ストラップ１１８は、ほぼ、人の胸部２２２のレベルで背中中央取付点１１７において荷重担持構造１１２に実装される。いくつかの実施例において、連結機構１１４は、少なくとも１つのアンカーストラップ１１９を含み、当該アンカーストラップ１１９は、その第１端部で、腹側取付点１２１において荷重担持構造１１２に取り付けられ、第２端部で胸部ストラップ１１８に取り付けられる。胸部ストラップ１１８およびアンカーストラップ１１９は、人の胸部２２２と一体的に動く。いくつかの実施例において、胸部ストラップ１１８およびアンカーストラップ１１９は、人の胸部２２２に確実に取り付けることができるように長さを変えることができる。いくつかの実施例において、胸部ストラップ１１８は堅固であり、アンカーストラップ１１９を締め付けることによるたわみを防止する。
【００１９】
図１７、図１８および図１９は、肩部基部１０２の様々な実施例を示す。図１７は、人２００を伴う肩部基部１０２の正面斜視図を示す。図１８は、人２００を伴わない肩部基部１０２の背面図を示す。図１９は、人２００を伴わない肩部基部１０２の背面斜視図を示す。この実施例において、連結機構１１４は、少なくとも２つの肩部ストラップ１２０を含む。２つの肩部ストラップ１２０は、人の肩部２２４を少なくとも部分的に取り囲む。各肩部ストラップ１２０は、第１端部において、それぞれの上方腹側取付点１２１で荷重担持構造１１２に実装され、第２端部において、下方背側取付点１２３で荷重担持構造１１２に実装される。いくつかの実施例において、胸骨ストラップ１２２は、その第１端で１つの肩部ストラップ１２０に結合し、第２端で、もう１つの肩部ストラップ１２０に結合する。肩部ストラップ１２０および胸骨ストラップ１２２は、人の胸部２２２と一体的に動く。いくつかの実施例において、肩部ストラップ１２０および胸骨ストラップ１２２は、人の胸部２２２に確実に取り付けることができるように長さを変えることができる。いくつかの実施例において、肩部ストラップ１２０は、その第１端部において、上方腹側取付点１２１で荷重担持構造１１２に実装され、その第２端部において、背中中央取付点１１７において荷重担持構造１１２に実装される。
【００２０】
図２０、２１および２２は、肩部基部１０２の様々な実施例を示す。図２０は、人２００を伴う肩部基部１０２の正面斜視図を示す。図２１は、人２００を伴わない肩部基部１０２の背面図を示す。図２２は、人２００を伴わない肩部基部１０２の背面斜視図を示す。この実施例において、連結機構１１４は、人の胸部２２２にしっかりと取り付けられるベスト１２４を含む。ベスト１２４は、人の胸部２２２と一体的に動くことができる。いくつかの実施例において、ベスト１２４は、複数のベスト取付点１２５によって肩部基部１０２に連結される。いくつかの実施例において、ベスト取付点１２５は、胸部ストラップ１１８、アンカーストラップ１１９、肩部ストラップ１２０、胸骨ストラップ１２２、またはそれらの任意の組み合わせに取り付けられる。
【００２１】
図２３〜図２５は、肩部基部１０２の実施例を示し、これらの図において、連結機構１１４は、人２００が着用している安全ハーネス１２６に少なくとも１つの安全ハーネス取付点１２７によって結合でき、この際、安全ハーネス１２６を修正する必要がない。図２３および図２４は、ベスト１２４が少なくとも１つの安全ハーネス取付点１２７を含む本発明の実施例を示す。安全ハーネス取付点１２７は、安全ハーネス１２６を変更することなくベスト１２４を安全ハーネス１２６に取り付けることを可能にする。安全ハーネス取付点１２７は、ベスト１２４の前面、肩部、または背面に位置付けられて良い。図２３は、ベスト１２４の前部および肩部の安全ハーネス取付点１２７の正面斜視図を示す。図２４は、ベスト１２４の背部および肩部に安全ハーネス取付点を含む、実施例（荷重支持構造なし）の背面拡大斜視図を示す。安全ハーネス取付点１２７は、ベルクロループ、ボタン付きフラップ、ストラップ、バックル、クリップ、クランプ、またはそれらの任意の組み合わせから形成されて良い。図２５は、ベルト１１６が少なくとも１つの安全ハーネス取付点１２７を含む、本発明の実施例を示す。安全ハーネス取付点１２７は、安全ハーネス１２６を修正することなく安全ハーネス１２６をベルト１１６に取り付けることを可能にする。いくつかの実施例において、安全ハーネス取付点１２７はベルト１１６の側部に位置付けられる。安全ハーネス取付点１２７は、アタッチメントの側に位置する点１２７ベルクロループ、ボタン付きフラップ、ストラップ、バックル、クリップ、クランプ、またはこれらの任意の組み合わせによって形成されて良い。
【００２２】
図２６は、腕部リンク機構１０４の拡大図を示す。この実施例において、第１ジョイント１５１の第１回転軸１５４は、人の肩関節２１８をほぼ通過する。図２７は、この実施例の背面図を示し、腕部支持外骨格１００は、２つの腕部リンク機構１０４とを含む。
【００２３】
図２８および図２９は、腕部リンク機構１０４が少なくとも１つの水平回転ジョイント１５６を含む、腕部支持外骨格１００の別の実施例を示す。水平回転ジョイント１５６によって、近位リンク１５０が、肩部基部１０２に対して第２回転軸１５５の周りに回転できる。第２回転軸１５５は、第１回転軸１５４と実質的に直交している。図２９は、当該腕部リンク機構１０４の背面図を示し、ここでは、第２回転軸１５５が人間の肩関節２１８を実質的に通過するようになっている。
【００２４】
図３０および図３１は、肩部基部１０２に結合された少なくとも１つの肩部ブラケット１５３を含む腕部支持外骨格１００の実施例を示す。肩部ブラケット１５３によって、腕部リンク機構１０４と肩部基部１０２との間の迅速な接続および取り外しが容易になる。図３０は、腕部リンク機構１０４を肩部基部１０２に連結する肩部ブラケット１５３を示す。図３１は、腕部リンク機構１０４を肩部基部１０２から取り外すことを可能にする肩部ブラケット１５３を示す。
【００２５】
図３２は、肩部基部１０２に連結された少なくとも１つの肩部ブラケット１５３を含む腕部支持外骨格１００の別の実施例を示す。肩部ブラケット１５３は、肩部基部１０２を腕部リンク機構１０４に複数の位置で連結して所望の肩幅調整２３７を実現して人の肩幅２３６に適合化させ、これは図７を参照されたい。図示しない別の実施例において、肩部ブラケット１５３は、人の肩深さ２４０に適合するように所望の肩部深さ調整２４１を提供するために、複数の位置で腕部リンク機構１０４に結合することができる。
【００２６】
図３３は腕部支持外骨格１００の他の実施例を示しており、この図において、肩部基部１０２は少なくとも１つの肩部ブラケット１５３を有する。肩部ブラケット１５３は、肩甲骨回転軸１７１に沿って腕部リンク機構１０４に回転可能に連結されており、肩甲骨回転軸１７１は、人２００（図示せず）が直立しているときに重力線２０８に実質的に直交する。
【００２７】
図３４〜図３６は、肩部基部１０２が肩部ブラケット１５３に結合された腕部支持外骨格１００の別の実施例を示す。肩部ブラケット１５３は、腕部リンク機構１０４に連結する。肩部ブラケット１５３は、当該肩部ブラケット１５３が肩部基部１０２（図３４には示されていない格納ジョイント１５８）に対して回転する。肩部ブラケット１５３が格納ジョイント１５８の周りを回転すると、腕部リンク機構１０４を、人２００の実質的に後方に配置することができる。肩部ブラケット１５３は、腕部リンク機構１０４を所望の向きに保つために格納ジョイント１５８の周りに静止して保持することができる。図３４は、腕部支持外骨格１００を着用している人２００を示し、この図では、腕部リンク機構１０４が人の作業空間２３０から実質的に外れた格納位置にある。「人の作業空間」という用語は、一般的な職場作業中に利用することができる人の上腕２０４の運動範囲を意味すると理解すべきである。図３５は、作業位置にある肩部ブラケット１５３の斜視図を示す。作業位置において、腕部リンク機構１０４は、人の上腕２０４（図示せず）を支持するように配置される。図３６は、格納位置にある肩部ブラケット１５３の斜視図を示し、ここでは、腕部リンク機構１０４が実質的に人２００（図示せず）の後ろに位置付けられる。格納位置において、遠位リンク１５２は、第１回転軸１５４の周りに作用するトルク発生器１０８のために、近位リンク１５０に対して完全に撓んだままである。これは、腕部リンク機構１０４を人の作業空間２３０からさらに保護する働きをする。腕部リンク機構１０４と肩部基部１０２との間の距離を利用して、腕部リンク機構１０４を人の作業空間２３０の外に保持することができる。
【００２８】
図３７〜図４１は、腕部支持外骨格１００の実施例を示しており、ここでは、腕部連結器１０６が、さらに、遠位リンク１５２に結合された荷重担持連結器１６０を有し、人の上腕２０４（図１に示す）に上向きの支持力２１２を加えることができる。いくつかの実施例において、荷重担持連結器１６０は、遠位リンク１５２に腕部連結器１０６を取り付ける遠位リンクアタッチメント１６７と、人の上腕２０４（図１に示す）を部分的に取り囲む少なくとも１つの腕部カフス部１６８とを備える。
【００２９】
図３７は、腕部連結器１０６がさらに腕部連結機構１６２を有する腕部支持外骨格１００の実施例を示す。腕部連結機構１６２は、腕部連結器１０６を人の上腕２０４（図２に示す）に連結することが可能である。腕部連結機構１６２は、剛性、半剛性、または従順な材料からなる群から選択される要素または要素の組合せを有して良く、これは、腕部連結器１０６からの人の上腕２０４（図１に示す）の分離を防止する。
【００３０】
図３８は、荷重担持連結器１６０が腕部回転ジョイント１６４を含む腕部連結器１０６の実施例を示す。腕部回転ジョイント１６４によって、腕部カフス部１６８は、第１回転軸１５４と実質的に平行な腕部カフス部回転軸１６５に沿って、遠位リンク１５２に対して回転できる。腕部回転ジョイント１６４によって、腕部カフス部１６８が人の上腕２０４（図１に示す）と最大限の接触を実現し、または、遠位リンク１５２と人の上腕２０４との間の動きの不一致を補償できる。
【００３１】
図３９は、腕部連結器１０６の実施例を示しており、ここでは、腕部連結器１０６の位置を遠位リンク１５２に対して調整することができる。本発明のいくつかの実施例において、荷重担持連結器１６０は、並進ジョイント１６６において遠位リンク１５２に関して並進することができ、腕部リンク機構１０４の腕部長さ調整２４３を可能にして、人の上腕長さ２４２（図７参照）に適合できるようにし、または遠位リンク１５２と人の上腕２０４（図１に示す）との間の動きの不一致を補償することができる。図４０は、遠位リンク１５２が荷重担持連結器１６０と噛合するｔ−溝を含む並進ジョイント１６６の別の実施例を示す。荷重担持連結器１６０は、遠位リンク１５２に対して荷重担持連結器１６０の位置を固定するロックピン１６９を含む。
【００３２】
図４１は、荷重担持連結器１６０が内外回転ジョイント１７２を用いて人の上腕２０４（図１に示す）の内外回転を可能にする、腕部連結器１０６の実施例を示す。内外回転ジョイント１７２は、遠位リンクアタッチメント１６７および腕部カフス部１６８の間に位置決めされる。内外回転ジョイント１７２は、内外回転軸１７３の周りを回転する。図示されていない別の実施例において、腕部カフス部１６８に載置されている人の上腕２０４との摺動接触によって、内外回転軸１７３を中心とした回転が可能になる。
【００３３】
図４２〜図４６は、トルク発生器１０８が引張力発生器１７８を含む、外骨支持外骨格１００の様々な実施例を示す。図４２に示す引張力発生器１７８は、その第１引張端部１７６から近位リンク１５０に連結され、引張力発生器１７８の引張力は、第１回転ジョイント１５１を中心として近位リンク１５０に対して遠位リンク１５２を屈曲させるためのトルク２８０を付与する。トルク発生器１０８のいくつかの実施例において、引張力発生器１７８はコイルバネ要素１８０を有する。トルク発生器１０８のいくつかの実施例において、引張力発生器１７８は、コイルバネ要素１８０を近位リンク１５０に連結する線条要素１８２を備える。線条要素１８２は、ワイヤロープ、ロープ、ケーブル、ツイン、ストラップ、チェーン、またはそれらの任意の組み合わせからなるグループからセンタされた要素または要素の組み合わせを有する。トルク発生器１０８のいくつかの実施例において、線条要素１８２は、線条要素１８２が近位リンク１５０に結合される前に遠位リンク１５２に結合されたプーリ１８３を少なくとも部分的に取り囲む。いくつかの実施例において、プーリ１８３は、遠位リンク１５２に対して回転しない。実施例のプーリ１８３は、遠位リンク１５２に組み込まれた曲面である。図４２は、コイルバネ要素１８０が伸長バネであるトルク発生器１０８の実施例を示す。コイルバネ要素１８０は、接合部１７９で線条要素１８２に結合され、第２引張端部１７７で遠位リンク１５２に結合される。
【００３４】
図４３は、トルク発生器１０８の概略模式図を示す。引張力発生器１７８は、第１距離２７２で近位リンク１５０に結合される。引張力発生器１７８は、遠位リンクの周りに第２距離２７０で作用する。引張力発生器有効長２７６は、近位リンク１５０に沿った第１距離２７２と、遠位リンク１５２に沿った第２距離２７０との間の距離である。引張力発生器の元の長さは、第１角度１９３のゼロ値に対応する引張力発生器有効長２７６である。引張力は、第１角度１９３の所与の値に対して、バネ定数、バネ予荷重、引張力発生器の元の長さ、および引張力発生器有効長２７６の関数である。トルク２８０は、遠位リンクを肩部基部１０２に対して撓ませる。
【００３５】
図４４〜図４６は、トルク発生器１０８の様々な実施例を示しており、張力発生器１７８は、コイルバネ要素１８０と線条要素１８２とを含む。線条要素１８２は、遠位リンク１５２に結合されたプーリ１８３を少なくとも部分的に取り囲んでいる。図４４は、コイルバネ要素１８０が、図４２に示されたものとは異なる向きの伸張バネであるトルク発生器１０８の実施例である。コイルバネ要素１８０は、接合部１７９で線条要素１８２に結合され、第２引張端部１７７で遠位リンク１５２に結合される。いくつかの実施例において、線条要素１８２は、近位リンク１５０に取り付ける前に遠位リンク１５２に取り付けられたプーリ１８３の周りに少なくとも部分的に巻き付いている。図４５は、コイルバネ要素１８０が圧縮バネであるトルク発生器１０８の実施例を示す。いくつかの実施例において、線条要素１８２は、遠位リンク１５２に取り付けられたプーリ１８３の周りを少なくとも部分的に包み込んでから、近位リンク１５０に取り付ける前に、遠位リンク１５２に連結される。図４６は、コイルバネ要素１８０が、図４５に示されたものとは異なる向きの圧縮ばねであるトルク発生器１０８の実施例を示す。コイルバネ要素１８０は、接合部１７９で線条要素１８２に結合され、第２引張力端部１７７で遠位リンク１５２に連結される。いくつかの実施例において、線条要素１８２は、近位リンク１５０に取り付ける前に遠位リンク１５２に取り付けられたプーリ１８３の周りに少なくとも部分的に巻き付けられる。すべての実施例において、コイルバネ要素１８０の代わりに、気体バネ、空気バネ、エラストマー、または同様の挙動を示す任意の組み合わせを利用することができることに留意されたい。
【００３６】
図４７および図４８は、近位リンク１５０が張力発生器１７８に結合された上側ブラケット１８８を備えるトルク発生器１０８の実施例を示す。上側ブラケット１８８の位置は、近位リンク１５０に沿って調整されて引張力発生器１７８により付与されるトルク２８０を調整できる。上側ブラケット１８８の位置は図４３の模式図において第１距離２７２に対応する。いくつかの実施例において、上側ブラケット１８８の位置は、上側ブラケットネジ１８７によって近位リンク１５０に対して調整され、上側ブラケット１８８は上側ブラケットネジ１８７と噛み合うネジ溝付き機構を組み込んでいる。上側ブラケットネジ１８７を旋回させることにより、上側ブラケット１８８の位置は、近位リンク１５０に沿って調整される。一般に、上側ブラケット１８８が、第１ジョイント１５１から遠いほど、トルク２８０は大きくなる。図４７は、第１ジョイント１５１に対して伸長位置にある上側ブラケット１８８を示し、これが大きな第１距離２７２をもたらす（図４３参照）。図４８は、上側ブラケット１８８を第１ジョイント１５１に対して格納された位置にある上側ブラケット１８８を示し、これは、小さな第１距離２７２（図４２参照）をもたらす。図４９は、図４７および図４８で説明した上側ブラケット１８８の２つの位置に対する第１角度１９３の関数として、トルク発生器１０８によって生成されたトルク２８０の２つのプロットを示す。図４７に示す構成のトルクプロファイルは、トルクプロファイル２８８で表され、図４８に示す構成のトルクプロファイルは、トルクプロファイル２８７によって表される。トルクプロファイル２８８は、トルクプロファイル２８７と比較してより大きな振幅を有することが分かる。
【００３７】
図５０および図５１は、遠位リンク１５２が、張力発生器１７８に結合された下側ブラケット１９０を有する、トルク発生器１０８の実施例を示す。下側ブラケット１９０の位置は、遠位リンク１５２に沿って調整され、引張力発生器１７８により付与されるトルク２８０を調整できる。下側ブラケット１９０の位置は引張力発生器１７８の前置負荷に対応する。いくつかの実施例において、下側ブラケット１９０の位置は、下側ブラケットネジ１８９によって遠位リンク１５２に対して調整され、下側ブラケットは、下側ブラケットネジ１８９と噛み合うネジ溝付き機構を組み込んでいる。下側ブラケットネジ１８９を旋回させることにより、下側ブラケット１９０の位置は、遠位リンク１５２に沿って調整される。一般に、下側ブラケット１９０が第１ジョイント１５１から遠くなるほど、前置負荷が小さくなる。図５０は、第１ジョイント１５１に対して長めの位置にある下側ブラケット１９０を示し、これは、引張力発生器１７８の小さな前置負荷をもたらす。図５１は、第１ジョイント１５１に対して短めの位置にある下側ブラケット１９０を示しており、これは、引張力発生器１７８の大きな前置負荷をもたらす。図５２は、図５０および図５１で説明した下側ブラケット１９０の２つの位置に対する第１角度１９３の関数として、トルク発生器１０８によって生成されるトルク２８０の２つのプロットを示す。図５０に示す構成のトルクプロファイルは、トルクプロファイル２９０によって表され、図５１に示す構成のトルクプロファイルは、トルクプロファイル２８９によって表される。短めの下側ブラケットトルクプロファイル２８９は、長めの下側ブラケットトルクプロファイル２９０と比較して、より大きな振幅を有する。
【００３８】
図５３〜図５５は、第１角度１９３がトグル角度１９５より大きい場合に、引張力発生器１７８によって付与されるトルク２８０が自動的に実質的に小さくとどまるという、本発明の重要な特徴を示す。すなわち、ユーザが、当該ユーザの腕部を、第１角度１９３がトグル角度１９５以上でない第１位置から、第１角度１９３がトグル角度１９５より大きい第２位置へと動かすときに、引張力発生器１７８は、第１トルクが引張力発生器１７８によって付与される第１トルクモード（腕部の第１位置）から、引張力発生器１７８によって実質的に小さなトルクしか付与されない第２トルクモード（腕部の第２位置）へと自動的に遷移する。同様に、ユーザが当該ユーザの腕部を第２位置から第１位置に戻すと、引張力発生器１７９は第２トルクモードから第１トルクモードへと自動的に遷移する。
【００３９】
図５３は、第１角度１９３が１８０度よりも大きく、腕部リンク機構１０４が、実質的に第１ジョイント１５１に位置付けられる突起１８６を有する構成を示す。第１角度１９３がトグル角度１９５以上になると、突起１８６が、引張力発生器１７８（図５３に示すような力発生器１７８の線条要素１８２）を、第１ジョイント１５２の周りに実質的に中心づけられる位置に拘束する。引張力発生器１７８を拘束することによって、突起１８６は、引張力発生器１７８が第１ジョイント１５１を越えて通り過ぎていくのを阻止する。トルク２８０は、実質的にゼロのままであり、これは、拘束された引張力発生器１７８が実質的に第１ジョイント１５１の周りに中央づけられるからである。トグル角度１９５よりも大きい第１角度１９３は、人２００が上腕２０４を当該人の側部に休めようとし、または、ツールベルトからツールを取り出そうとする状況に相当する。この状況において、実質的に小さなトルクが必要となり、これが、人の上腕２０４の自由運動を可能にし、または、印加されたトルク２８０のインピーダンスなしで上腕２０４を休息させることを可能にする。これは、非作業姿勢の間に、人に大きな全体的な快適さを与える。図５４は、突起１８６が、第１ジョイント１５１を形成する第１ジョイントピン１８４によって形成される、本発明の実施例を示す。図５５は、突起１８６が近位リンク１５０の一部である本発明の実施例を示す。
【００４０】
図５６は、突起１８６のない場合に、トルク発生器１０８によって生成されるトルク２８０の第１角度１９３の関数としてのグラフを示す。トグル角度１９５において、トルク２８０は負になる。トルク２８０の負の値は、人の上腕２０４の動きを妨げ、または人２００の快適性を低下させる可能性がある。図５７は、突起１８６が形成されたときにトルク発生器１０８によって生成されるトルク２８０の第１角度１９３の関数としてのグラフを示す。第１角度１９３がトグル角度１９５以上になると、突起１８６が引張力発生器１７８を拘束し、トルク２８０が実質的に小さいままであることが保証される（図５３参照）。トグル角度１９５を過ぎると、トルク２８０は実質的にゼロになり、第１角度１９３の残りの角度において中立ゾーン１９７を形成する。中立ゾーン１９７は、人の上腕２０４が、トグル角度１９５より大きい第１角度１９３内において実質的にゼロの印加トルク２８０で移動することを可能にする。中立ゾーン１９７は、人２００が上腕を中立位置に快適に置くことを可能にするか、またはポケットまたは工具ベルトに到達するような二次的作業を実施することを可能にする。
【００４１】
図５８および図５９は、近位リンク１５０の向きを調節し、肩部基部１０２に対して所定の位置に保持することができる、腕部支持外骨格１００の実施例を示す。近位リンクオフセット位置１９１は、人２００が直立しているときに、肩部基部１０２に固定された近位リンク１５０の重力線２０８に対する方位として定義される。近位リンクオフセット位置１９１は、実質的に第１ジョイント１５１の平面内で回転するオフセット調整ジョイント１５９で調整される。トグル位置１９４は、第１ジョイント角度１９３がトグル角度１９５に等しくなったときの遠位リンク１５２の位置を表す。近位リンクオフセット位置１９１を調整することによって、トグル位置１９４は肩部基部１０２に対して調整される。オフセット角度１９９は、人２００が直立しているときの近位リンクオフセット位置１９１と重力線２０８との間の角度を表す。図５８は、オフセット角度１９９が比較的小さい本発明の実施例を示す。図５９は、オフセット角度１９９が増加した本発明の実施例を示す。図６０は、オフセット調整ジョイント１５９を含む腕部リンク機構１０４の分解実施例を示す。オフセット調整ジョイント１５９によって、近位リンク１５０が肩部基部１０２に対して回転できる。オフセット調整ジョイント１５９によって、近位リンク１５０の肩部基部１０２に対する回転を特定位置においてロックできる。
【００４２】
図６１は、水平線２０９からの遠位リンク１５２の角度の関数としてトルク発生器１０８によって生成されたトルク２８０のグラフを示す。トルクプロファイル２９１は、オフセット角度１９９がゼロの場合の構成に対応する。トルクプロファイル２９２は、オフセット角度１９９が５０度であるときの構成に対応し、近位リンク１５２の角度が水平線２０９の４０度よりも高くない限り、上向きのトルクが人の腕を上方に押し上げないことを意味する。オフセット角度１９９を調整することによってトグル位置を動かすことができる。トルク発生器オフセット角度１９９は、水平線２０９に対して特定の角度でトグル位置１９４を位置決めするために調整することができる。トルク発生器オフセット角度１９９は、また、水平線２０９に対して所望の角度で特定のピーク位置を有するトルクプロファイルを生成する。突起１８６が存在するとき、トグル位置１９４を過ぎた近位リンク１５２の角度に対する両方の曲線に対して中立ゾーン１９７が形成される。より大きな範囲の中立ゾーン１９７が、人の上腕２０４の動きの範囲に対して生成される。
【００４３】
いくつかの実施例において、下側ブラケット１９０、上側ブラケット１８８、および近位リンクオフセット位置１９１はすべて、トルク２８０のための所望の支持プロファイルを生成するように調整することができる。腕部重量トルクプロファイル１９８は、人の上腕２０４、前腕２０６、手２０７、およびツール３０８の重量に対抗するトルクとして定義される。図６２は、トルク２８０のプロファイルを示しており、ここでは、当該トルク２８０のプロファイルは、実質的に水平２０９より上の角度における腕部重量トルクプロファイル１９８に合致して、ほぼ、腕部重量トルクプロファイル１９８を打ち消す。オーバヘッド溶接は、そのようなトルクを必要とするかもしれないユーザの活動の良い例である。遠位リンク１５２の絶対角度が水平線２０９から−６０度を下回ると、トルク２８０のプロファイルは、トルクが実質的にゼロである中立ゾーン１９７に入る。トルク２８０のこのプロファイルは、腕部重量トルクプロファイルと比較して低減されたピーク振幅を有するトルク２８０を生成する下側ブラケット１９０の位置または上側ブラケット１８８の位置を用いて生成されてもよい。次に、オフセット角度１９９は、トルク２８０の支持プロファイルをシフトさせるように調整されて、所望の運動範囲に対して腕部重量トルクプロファイル１９８に密接に一致するようにすることができる。腕部重量トルクプロファイル１９８に一致させると、低減された振幅の支持トルク２８０は、トルク２８０が腕部重量トルクプロファイル１９８およびより大きな中立ゾーン１９７に一致する、より小さな角度範囲に対応する。
【００４４】
図６３は、水平２８０より上のある角度で腕部重量トルクプロファイル１９８より大きい値を有するトルク２８０の別の支持プロファイルを示す。これは、人２００が、上腕２０４、前腕２０６、手２０７、およびツール３０８の合計重量より大きな上方の力を印加する必要があるときに有益である。天井をドリル空けすることは、このようなトルクを必要とする可能性のあるユーザ活動の良い例である。遠位リンク１５２の絶対角度が水平線２０９から−４０度以下になると、トルク２８０のプロファイルは、トルクが実質的にゼロである中立ゾーン１９７に入る。トルク２８０のこのプロファイルは、腕部重量トルクプロファイル１９８と比較して任意のピーク振幅を有するトルク２８０を生成する下側ブラケット１９０の位置または上側ブラケット１８８の位置を用いて生成することができる。オフセット角度１９９は、トルク２８０のプロファイルが所望の運動範囲に対する腕部重量トルクプロファイル１９８を超えるように当該トルク２８０のプロファイルを調整して遷移させて良い。腕部重量トルクプロファイル１９８に調整されると、低減された振幅の支持トルク２８０は、トルク２８０が腕部重量トルクプロファイル１９８およびより大きな中立ゾーン１９７を超えるより小さな角度範囲に対応する。
【００４５】
図６４は、トルク２８０の別の実現可能な支持プロファイルを示しており、これはすべての角度で腕部重量トルクプロファイル１９８と実質的に等しい値を有する。このようなトルクを必要とする可能性があるユーザ活動の一例として、全運動範囲にわたってツールを操作することが挙げられる。トルク２８０のこのプロファイルは、腕部重量トルクプロファイル１９８と比較して等しいピーク振幅を有するトルク２８０を生成する下側ブラケット１９０の位置１９０または上側ブラケット１８８の位置を用いて生成することができる。次に、オフセット角度１９９を調整して、トルク２８０のプロファイルのピークを腕部重量トルクプロファイル１９８に整合させて良い。水平からの偏差が−９０°より下では、トルク２８０は、当該トルク２８０が実質的にゼロである中立ゾーン１９７（図示せず）に入る。すべての前進範囲の動きがサポートされている場合であっても、中立ゾーン１９７は、ユーザの手が後ろのポケットに達するときなど、人の腕２０４が人の胴体２０２の背後に負に伸びるとき、実質的にゼロのトルクを付与する。
【００４６】
図６５は、荷重担持構造１１２が、人２００の実質的に背後に位置する背部フレーム１３０と、背部フレーム１３０に結合され、また、人の脚部２２８に結合される下肢外骨格３０４とを備える実施例を示す。背部フレーム１３０は、腕部リンク機構１０４から反作用力２１４および反作用トルク２１５の少なくとも一部を支持する。背部フレーム１３０は、反作用力２１４および反作用トルク２１５の少なくとも一部を下肢外骨格３０４に伝達する。下肢外骨格３０４は、反作用力２１４および反作用トルク２１５の少なくとも一部を地面３１０に伝達し、もって地面反作用力３１１が生じる。米国特許第８，８９４，５９２号、米国特許第８，０７０，７００号、米国特許第８，９４５，０２８号、米国特許第８，０５７，４１０号、米国特許第７，９４７，００４号は、本発明の側面に従って、腕部支持外骨格１００に結合できる下肢外骨格のいくつかの例が記載されている。
【００４７】
図６６は、荷重担持構造１１２が、人２００の実質的に背後に位置する背部フレーム１３０と、背部フレーム１３０に結合された外骨格３０２を支持する胴部とを有する実施例を示す。米国特許および特許出願公開第２０１５／０２３０９６４号、同第２０１４／０３７８８８２号、米国特許第９，３０８，１１２号および同第９，２０２２，９５６号は、本発明の側面に従って腕部支持外骨格１００を支持する腕に結合することができる体幹支持外骨格のいくつかの例が記載されている。
以下、ここで説明した技術的特徴を非限定的に列挙する。
［技術的特徴１］
人体に結合されるように構成された腕部支持外骨格において、
人の胴体に結合されるように構成された肩部基部と、
前記肩部基部に連結される腕部リンク機構とを有し、
前記腕部リンク機構は、
前記人が直立しているときに、重力線と実質的に直交する第１回転軸に沿って回転ジョイントの周りに相互に回動するように構成された近位リンクおよび遠位リンクと、
前記人の上腕を前記遠位リンクに結合するように構成された少なくとも１つの腕部連結器と、
引張力発生器であって、当該引張力発生器の第１端部で前記近位リンクに連結され、前記引張力発生器の第２端部で前記遠位リンクに連結された前記引張力発生器と、
前記回転ジョイントに実質的に配置された突起とを有し、
前記遠位リンクがトグル角度を超えて延びるとき、前記突起は前記張力発生器を拘束し、前記張力発生器によって付与されるトルクは実質的に小さいままであり、
前記突起が前記張力発生器を拘束しないとき、前記トルクは、前記遠位リンクを前記近位リンクに対して撓ませる傾向があり、それによって前記人の前記上腕を引き上げるのに必要な前記人の肩の力およびトルクを低減することを特徴とする腕部支持外骨格。
［技術的特徴２］
人体に結合されるように構成された腕部支持外骨格において、
人の胴体に結合されるように構成された肩部基部と、
前記肩部基部に結合される腕部リンク機構とを有し、
前記腕部リンク機構は、
前記人が直立しているときに、重力線と実質的に直交する第１回転軸に沿って回転ジョイントの周りに相互に回動するように構成された近位リンクおよび遠位リンクと、
前記人の上腕を前記遠位リンクに結合するように構成された少なくとも１つの腕部連結器と、
引張力発生器であって当該引張力発生器の第１端部で前記近位リンクに結合され、前記引張力発生器の第２端部で前記遠位リンクに結合された前記引張力発生器とを有し、
前記腕部支持外骨格が前記人体に連結され、前記近位リンクと前記遠位リンクとの間の角度がトグル角度よりも小さいとき、前記トルクは、前記近位リンクに対して前記遠位リンクを撓ませる傾向があり、これによって前記人の上腕を持ち上げるために必要な前記人の肩部の力およびトルクを低減させ、前記肩部基部に反作用力およびトルクを加え、
前記近位リンクと前記遠位リンクとの間の前記角度が前記トグル角度より大きいとき、前記近位リンクと前記遠位リンクとの間に実質的に小さなトルクを付与し、前記人が前記人の前記上腕を自由に動かせるようにすることを特徴とする腕部支持外骨格。
［技術的特徴３］
人体に結合されるように構成された腕部支持外骨格において、
人の胴体に結合されるように構成された肩部基部と、
前記肩部基部に連結される腕部リンク機構とを有し、
前記腕部リンク機構は、
前記人が直立しているときに、重力線と実質的に直交する第１回転軸に沿って回転ジョイントの周りに相互に回動するように構成された近位リンクおよび遠位リンクと、
前記人の上腕を前記遠位リンクに結合するように適合された少なくとも１つの腕部連結器と、
前記近位リンクと前記遠位リンクとの間にトルクを生成するように構成された少なくとも１つのトルク発生器とを有し、
前記腕部支持外骨格が前記人体に連結され、前記近位リンクと前記遠位リンクとの間の角度がトグル角度よりも小さいとき、前記トルクは、前記近位リンクに対して前記遠位リンクを撓ませる傾向があり、これによって前記人の上腕を持ち上げるために必要な前記人の肩部の力およびトルクを低減させ、前記肩部基部に反作用力およびトルクを加え、
前記近位リンクと前記遠位リンクとの間の前記角度が前記トグル角度より大きいとき、前記近位リンクと前記遠位リンクとの間に実質的に小さなトルクを付与し、前記人が前記人の前記上腕を自由に動かせるようにすることを特徴とする腕部支持外骨格。
［技術的特徴４］
技術的特徴３に記載の腕部支持外骨格において、
前記肩部基部は、
前記肩部基部上の前記反作用力およびトルクを支持する、前記腕部リンク機構に結合された荷重担持構造と、
前記肩部基部が前記人の前記胴体胴と一体的に動くように、前記負荷暗示構造を前記人の前記胴体に結合するように構成された連結機構とを有する、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴５］
技術的特徴４に記載の腕部支持外骨格において、
前記荷重担持構造は、
前記腕部リンク機構に連結され、前記腕部リンク機構からの前記反作用力およびトルクの少なくとも一部を支持する背部フレームと、
前記背部フレームに結合された少なくとも１つの腰部装填ベルトであって、前前記背部から前記反力およびトルクの少なくとも一部を前記人の腰部に伝達する、前記腰部装填ベルトとを有する、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴６］
技術的特徴４に記載の腕部支持外骨格において、
前記荷重担持構造は、
前記人の背部の実質的に後方に位置付けられるように構成された背部フレームであって、前記腕部リンク機構に結合され、前記腕部リンク機構からの前記反作用力およびトルクの少なくとも一部を支持する、前記背部フレームと、
前記背部フレームおよび前記人の脚部に結合されるように構成された下肢外骨格であって、前記腕部リンク機構からの前記反作用力およびトルクの少なくとも一部を、前記人が直立している支持表面に伝達する、前記下肢外骨格とを有する、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴７］
技術的特徴５に記載の腕部支持外骨格において、
前記背部フレームは、
前記腕部リンク機構に結合された上側フレームと、
前記腰部装填ベルトに結合された下側フレームと、
脊柱フレームとを有し、
前記脊柱フレームは、当該脊柱フレームの上端で前記上側フレームに結合され、当該脊柱フレームの下端で前記下側フレームに回転可能に結合され、前記上側フレームが前記下側フレームに対して前記人の前面平面において回動可能である、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴８］
技術的特徴５に記載の腕部支持外骨格において、
前記背部フレームは、
前記腕部リンク機構に結合された上側フレームと、
前記腰部装填ベルトに結合された下側フレームと、
脊柱フレームとを有し、
前記脊柱フレームは、当該脊柱フレームの下端で前記下側フレームに結合され、当該脊柱フレームの上端で前記上側フレームに回転可能に結合され、前記上側フレームが前記下側フレームに対して前記脊柱フレームの主軸に沿って回動可能である、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴９］
技術的特徴４に記載の腕部支持外骨格において、
前記連結機構は、
前記人の胸部を少なくとも部分的に包囲するように構成され、前記人の実質的に後方の位置において前記上側フレームに結合される胸部ストラップと、
前記胸部ストラップを前記人の対応する肩部を越えて前記上側フレームに結合するように適合化された第１および第２のアンカーストラップとを有し、
前記胸部ストラップおよび前記第１および第２のアンカーストラップを前記上側フレームに結合することによって前記上側フレームが前記人の前記胸部および前記化ｔ部と一体的に動くことができる、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１０］
技術的特徴４に記載の腕部支持外骨格において、
前記連結機構は、前記肩部基部を前記人に連結させるように適合化された第１および第２の肩部ストラップを有する、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１１］
技術的特徴３に記載の腕部支持外骨格において、
前記トルク発生器は、引張力発生器を有し、当該引張力発生器は、当該引張力発生器の第１端部からの前記近位リンクに結合され、当該引張力発生器の第２端部からの前記遠位リンクに結合され、前記引張力発生器における引張力が、前記遠位リンクを前記近位リンクに対して屈曲させるトルクを形成する、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１２］
技術的特徴１１に記載の腕部支持外骨格において、
前記回転ジョイントに実質的に位置付けられる突起をさらに有し、
前記遠位リンクが前記トグル角度を越えて伸びるときに、前記突起が、前記引張力発生器を拘束して、前記引張力発生器による付与されるトルクが実質的に小さなままに維持されるようにする、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１３］
技術的特徴１１に記載の腕部支持外骨格において、
前記近位リンクの配位が、前記肩部基部に対して、前記第１回転軸に実質的に平行な軸に沿って、調整され、その位置に維持でき、前記トグル角度の位置を前記肩部基部に対して調整できる、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１４］
技術的特徴１１に記載の腕部支持外骨格において、
前記近位リンクは前記引張力発生器に結合された上側ブラケットを有し、前記上側ブラケットの位置が前記近位リンクに沿って調整可能であって前記引張力発生器により付与される前記トルクを調整する、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１５］
技術的特徴１１に記載の腕部支持外骨格において、
前記遠位リンクは前記引張力発生器に結合された下側ブラケットを有し、前記下側ブラケットの位置が前記遠位リンクに沿って調整可能であって前記引張力発生器の前置荷重力を調整する、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１６］
技術的特徴３に記載の腕部支持外骨格において、
前記腕部リンク機構は、少なくとも１つの水平回転ジョイントを拘束し、前記水平回転ジョイントは、前記人の肩関節を実質的に通り抜ける、前記第１回転軸と実質的に直行する第２回転軸の周りに、前記近位リンクを、前記肩部基部に対して回動させることができる、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１７］
技術的特徴３に記載の腕部支持外骨格において、
前記肩部基部は、少なくとも１つの肩部ブラケットを有し、前記肩部ブラケットは、前記腕部リンク機構を前記肩部基部に迅速に着脱することができる、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１８］
技術的特徴３に記載の腕部支持外骨格において、
前記肩部基部は、少なくとも１つの肩部ブラケットを有し、前記肩部ブラケットは、前記腕部リンク機構の位置を前記肩部基部に対して調整できる態様で、前記腕部リンク機構を前記肩部基部に結合する、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴１９］
技術的特徴３に記載の腕部支持外骨格において、
前記腕部リンク機構は、少なくとも１つの回転ジョイントを拘束し、前記回転ジョイントは、重力繊維実質的に著効する少なくとも１つの肩甲骨回転軸に沿って上記近位リンクを前記肩部基部に対して回動可能にする、前記腕部支持外骨格。
［技術的特徴２０］
技術的特徴３に記載の腕部支持外骨格において、
前記肩部基部は、少なくとも１つの肩部ブラケットを有し、前記肩部ブラケットは、前記肩部基部に回転可能に結合され、前記腕部リンクに結合され、前記肩部ブラケット格納軸に沿って回転し、静止状態に維持可能であり、前記人の作業空間の実質的な外部である、前記人の後方に前記腕部リンク機構を収容できる、前記腕部支持外骨格。
【符号の説明】
【００４８】
１００    腕部支持外骨格
１０２    肩部基部
１０４    腕部リンク機構
１０６    腕部連結器
１０８    トルク発生器
１１２    荷重担持構造
１１４    連結機構
１１５    ベルト取付点
１１６    ベルト
１１７    背中中央取付点
１１８    胸部ストラップ
１１９    アンカーストラップ
１２０    肩部ストラップ
１２１    上方腹側取付点
１２２    胸骨ストラップ
１２３    下方背側取付点
１２４    ベスト
１２５    ベスト取付点
１２６    安全ハーネス
１２７    安全ハーネス取付点
１２８    ハンモック
１３０    背部フレーム
１３１    腰部装填ベルト
１３４    脊柱フレーム
１３５    脊柱フレーム軸
１３６    上側フレーム
１３８    下側フレーム
１４０    下側コーナーバー
１４２    上側中央バー
１４４    下側中央バー
１４６    上側コーナーバー
１４８    上側サイドブラケット
１４９    下側サイドブラケット
１５０    近位リンク
１５２    遠位リンク
１５３    肩部ブラケット
１５６    水平回転ジョイント
１５８    格納ジョイント
１５９    オフセット調整ジョイント
１６０    荷重担持連結器
１６２    腕部連結機構
１６４    腕部回転ジョイント
１６５    腕部カフス部回転軸
１６６    並進ジョイント
１６７    遠位リンクアタッチメント
１６８    腕部カフス部
１６９    ロックピン
１７１    肩甲骨回転軸
１７２    内外回転ジョイント
１７３    内外回転軸
１７８    引張力発生器
１７９    接合部
１８０    コイルバネ要素
１８２    線条要素
１８３    プーリ
１８６    突起
１８７    上側ブラケットネジ
１８８    上側ブラケット
１８９    下側ブラケットネジ
１９０    下側ブラケット
１９１    近位リンクオフセット位置
１９３    第１角度
１９４    トグル位置
１９５    トグル角度
１９７    中立ゾーン
１９８    腕部重量トルクプロファイル
１９９    オフセット角度
２００    人
２０２    胴体
２０４    上腕
２０６    前腕
２０７    手
２０８    重力線
２０９    水平線
２１２    支持力
２１４    反作用力
２１５    反作用トルク
２１８    肩関節
２２０    腰部
２２１    腰部反作用力
２２２    胸部
２２４    肩部
２２５    肩部反作用力
２２８    脚部
２３０    作業空間
２３２    胴高さ
２３４    腰幅
２３６    肩幅
２３８    腰深さ
２５０    正面平面
２６０    中外側屈曲動作
２７６    引張力発生器有効長
２８０    印加トルク
３０２    外骨格
３０４    下肢外骨格
３０８    ツール
３１０    地面
３１１    地面反作用力
【図１】
0006673940.tif 000002
【図２】
0006673940.tif 000003
【図３】
0006673940.tif 000004
【図４】
0006673940.tif 000005
【図５】
0006673940.tif 000006
【図６】
0006673940.tif 000007
【図７】
0006673940.tif 000008
【図８】
0006673940.tif 000009
【図９】
0006673940.tif 000010
【図１０】
0006673940.tif 000011
【図１１】
0006673940.tif 000012
【図１２】
0006673940.tif 000013
【図１３】
0006673940.tif 000014
【図１４】
0006673940.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
0006673940.tif 000017
【図１７】
0006673940.tif 000018
【図１８】
0006673940.tif 000019
【図１９】
0006673940.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
0006673940.tif 000023
【図２３】
0006673940.tif 000024
【図２４】
0006673940.tif 000025
【図２５】
0006673940.tif 000026
【図２６】
0006673940.tif 000027
【図２７】
0006673940.tif 000028
【図２８】
0006673940.tif 000029
【図２９】
0006673940.tif 000030
【図３０】
0006673940.tif 000031
【図３１】
0006673940.tif 000032
【図３２】
0006673940.tif 000033
【図３３】
0006673940.tif 000034
【図３４】
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【図３５】
0006673940.tif 000036
【図３６】
0006673940.tif 000037
【図３７】
0006673940.tif 000038
【図３８】
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【図３９】
0006673940.tif 000040
【図４０】
0006673940.tif 000041
【図４１】
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【図４２】
0006673940.tif 000043
【図４３】
0006673940.tif 000044
【図４４】
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【図４５】
0006673940.tif 000046
【図４６】
0006673940.tif 000047
【図４７】
0006673940.tif 000048
【図４８】
0006673940.tif 000049
【図４９】
0006673940.tif 000050
【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
0006673940.tif 000053
【図５３】
0006673940.tif 000054
【図５４】
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【図５５】
0006673940.tif 000056
【図５６】
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【図５７】
0006673940.tif 000058
【図５８】
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【図５９】
0006673940.tif 000060
【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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