(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節によって接続された部位が、屈曲状態から伸展状態へと変動する際の動作をアシストする動作アシスト装置であって、
一方の部位に装着される第１装具と、
他方の部位に装着される第２装具と、
前記関節に装着される第３装具と、
伸縮可能なアクチュエータと、前記アクチュエータに接続されたワイヤとを有する駆動機構と、を備え、
前記駆動機構の一端が前記第１装具に連結され、前記ワイヤが前記第３装具に設けられたワイヤガイドに案内され、前記駆動機構の他端が前記第２装具に連結されており、
前記アクチュエータの収縮により、前記第３装具が、前記関節を前記駆動機構の両端を結んだ仮想直線側に押圧する、動作アシスト装置。
【請求項２】
前記駆動機構は、前記ワイヤに接続された他のアクチュエータをさらに有する、請求項１に記載の動作アシスト装置。
【請求項３】
前記アクチュエータに前記ワイヤの経路を反転させる反転部を設け、
前記ワイヤの両端又はいずれかの端部が前記反転部を経由して固定された、請求項１又は請求項２に記載の動作アシスト装置。
【請求項４】
前記反転部が複数設けられた、請求項３に記載の動作アシスト装置。
【請求項５】
前記ワイヤの両端又はいずれかの端部が前記第３装具に固定された、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の動作アシスト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作アシスト装置に関し、特に、屈曲した関節を伸展させるのに好適な動作アシスト装置を提供する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療系のトレーニングシステムやリハビリテーション等の分野において、人の動作を補助する外骨格型のアシストスーツが開発されている。例えばＪＰ２０１２−１４７９４４Ａには、外骨格型の下肢動作支援装置が開示されている。しかしながら、当該下肢動作支援装置では、膝関節の周囲において回動自在とされ、人体の下腿部に沿って延びる下腿リンクを人の大腿部の周囲に配設されたアクチュエータにより牽引する構成であるため、下腿部を前方に踏み出すアシスト力を得ることはできるが、例えば人が荷物を持って完全にしゃがんだ状態から立ち上がる場合のように、関節を中心として回動する両方の節（大腿，下腿）に多大な負荷が加わる動作をアシストする装置としては、十分なアシスト力を得られないという欠点が存在する。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、屈曲した関節を伸展状態とするのに十分なアシスト力を得られる動作アシスト装置を提供する。
【０００４】
上記課題を解決するための、関節によって接続された部位が屈曲状態から伸展状態へと変動する際の動作をアシストする動作アシスト装置の構成として、一方の部位に装着される第１装具と、他方の部位に装着される第２装具と、関節に装着される第３装具と、伸縮可能なアクチュエータと、前記アクチュエータに接続されたワイヤとを有する駆動機構と、を備え、前記駆動機構の一端が前記第１装具に連結され、前記ワイヤが前記第３装具に設けられたワイヤガイドに案内され、前記駆動機構の他端が前記第２装具に連結されており、前記アクチュエータの収縮により、前記第３装具が、前記関節を前記駆動機構の両端を結んだ仮想直線側に押圧する構成とした。
【０００５】
本構成によれば、第１の部位と第２の部位とを接続する関節が、駆動機構の両端５ａ，５ｂを結んだ仮想直線側に押圧されるため、屈曲状態にある部位を伸展状態とするための十分なアシスト力を得ることができる。
【０００６】
また、他の構成として、駆動機構が、ワイヤに接続された他のアクチュエータをさらに有することにより、複数のアクチュエータの動作によってより高いアシスト力を得ることができる。
【０００７】
また、他の構成として、アクチュエータにワイヤの経路を反転させる反転部を設け、ワイヤの両端又はいずれかの端部が反転部を経由して固定されたことにより、アクチュエータの収縮量よりも大きなワイヤの牽引量を得ることができる。
【０００８】
また、他の構成として、反転部を複数設ければ更に大きなワイヤの牽引量を得ることができる。
【０００９】
また、他の構成として、ワイヤの両端又はいずれかの端部が第３装具に固定されたことにより、第３装具から第１装具又は第２装具に至るワイヤの経路と、反転部から第３装具に至るワイヤの経路とを平行に近づけることができ、ワイヤの牽引量を効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る動作アシスト装置の構成図である。
【図２】動作アシスト装置の装着状態を示す図である。
【図３Ａ】動作アシスト装置のアクチュエータを伸長状態で示す図である。
【図３Ｂ】動作アシスト装置のアクチュエータを収縮状態で示す図である。
【図４Ａ】アクチュエータの人工筋肉の１つを伸長状態で示す図である。
【図４Ｂ】人工筋肉の断面図であって、図４ＡのＩＶＢ−ＩＶＢ線に対応する断面を示す図である。
【図４Ｃ】アクチュエータの人工筋肉の１つを収縮状態で示す図である。
【図４Ｄ】人工筋肉の断面図であって、図４ＡのＩＶＤ−ＩＶＤ線に対応する断面を示す図である。
【図５】動作アシスト装置を人体に装着した時の幾何学的モデル図である。
【図６】膝の関節角度を示す図である。
【図７Ａ】立上り動作を示す図であって、人がしゃがんだ状態を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａの状態における駆動機構の動作状態を示す図である。
【図７Ｃ】立上り動作を示す図であって、人が立ち上がり動作中である状態を示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｃの状態における駆動機構の動作状態を示す図である。
【図７Ｅ】立上り動作を示す図であって、人が立ち上った状態を示す図である。
【図７Ｆ】図７Ｅの状態における駆動機構の動作状態を示す図である。
【図８Ａ】他の実施形態に係る動作アシスト装置の模式図である。
【図８Ｂ】さらに他の実施形態に係る動作アシスト装置の模式図である。
【図８Ｃ】さらに他の実施形態に係る動作アシスト装置の模式図である。
【図８Ｄ】さらに他の実施形態に係る動作アシスト装置の模式図である。
【図８Ｅ】さらに他の実施形態に係る動作アシスト装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に示す動作アシスト装置１は、例えば、人が荷物を持ち上げるときの立上り動作を補助する装具であって、いわゆる内骨格型の装具である。内骨格型の装具とは、人体における骨格を利用することで機能し、例えば、人体における骨と骨のつながりを１つのリンク機構とみなし、関節の動作をアシストする。なお、以下の実施形態では、動作アシスト装置１を人体の脚部に適用した例を示すが、本動作アシスト装置１は、肘関節を中心とする腕部や腰椎を中心とする腰部等、屈曲した状態と伸展した状態とを取り得る部位であればいかなる部位にも適用可能である。
【００１２】
図２に示すように、動作アシスト装置１は、大腿部に取り付けられる大腿装具２と、膝に取り付けられる膝装具３と、下腿部に取り付けられる下腿装具４と、大腿装具２、膝装具３及び下腿装具４に駆動力を付与する駆動機構５とを備える。即ち、動作アシスト装置１は、大腿部における大腿骨と下腿部における下腿骨とを一対の節とし、これらの節を回転可能に連結する膝関節を１つのリンク機構と見なし、膝の曲げ伸ばし、特に屈曲状態から伸展状態へと動作するときの脚部の動作をアシスト（補助）する。以下、下腿装具４が第１装具であり、大腿装具２が第２装具であり、膝装具３が第３装具である例について説明する。
【００１３】
大腿装具２、膝装具３及び下腿装具４は、それぞれ、駆動機構５を取り付けるための機構取付部材２Ａ；３Ａ；４Ａと、これら機構取付部材２Ａ；３Ａ；４Ａを大腿部、膝関節部、下腿部に固定する固定ベルト２Ｂ；３Ｂ；４Ｂとを備える。なお、機構取付部材２Ａ；３Ａ；４Ａの裏面には、図外のクッション材等が設けられ、人体との緩衝が図られる。機構取付部材２Ａ；３Ａ；４Ａは、例えば、可撓性を有する硬質の樹脂で構成される。固定ベルト２Ｂ；３Ｂ；４Ｂは、例えば、非伸縮性の帯からなり、端部に固定手段として機能する面ファスナーを備える。
【００１４】
機構取付部材２Ａは、例えば、大腿部の側部に沿って装着可能に形成され、固定ベルト２Ｂにより、大腿部の付け根側に固定される。機構取付部材２Ａには、後述の駆動機構５を構成するワイヤ８の端部が固定されるワイヤ固定部１１が設けられる。ワイヤ固定部１１は、例えば、板状部材１２により構成され、機構取付部材２Ａにねじ止めされることにより、ワイヤ８の端部を機構取付部材２Ａとの間で挟み込んで固定する。
【００１５】
機構取付部材３Ａは、例えば、膝関節における膝頭を包むように形成され、固定ベルト３Ｂにより膝関節部に固定される。機構取付部材３Ａは、駆動機構５を構成しワイヤ８が掛けられるワイヤガイド１５を備える。ワイヤガイド１５としては、滑車やピン或いは溝等、後述のアクチュエータ９により牽引されるワイヤ８の移動を阻害しない、好ましくはワイヤ８の移動を案内し得る、部材であれば良く、当該ワイヤガイド１５によってワイヤ８の延びる方向が曲げられる。なお、図示の例では、ワイヤガイド１５として滑車を用いた例を示している。
【００１６】
機構取付部材４Ａは、例えば、下腿部の側部に沿って装着可能に形成され、固定ベルト４Ｂにより足首側に固定される。機構取付部材４Ａには、アクチュエータ９を固定可能なアクチュエータ取付部１６が設けられる。
【００１７】
駆動機構５は、概略、アクチュエータ９とワイヤ８とで構成される。図１及び図２に示された例では、アクチュエータ９は伸縮可能に構成されている。アクチュエータ９とワイヤ８とは、アクチュエータ９のワイヤ固定部１４において、互いに接続されている。駆動機構５は一端５ａ及び他端５ｂを有しており、図示された例では、駆動機構５の一端５ａは、アクチュエータ９におけるワイヤ８と反対側の端部で構成され、他端５ｂは、ワイヤ８におけるアクチュエータ９と反対側の端部で構成される。駆動機構５の一端５ａは、アクチュエータ取付部１６において下腿装具４に連結され、他端５ｂは、ワイヤ固定部１１において、大腿装具２に連結される。
【００１８】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、アクチュエータ９は、流体の供給により軸方向に伸縮する複数（本実施形態では２つ）の軸方向繊維強化型人工筋肉（以下、単に人工筋肉という）１８；１８を有して構成される。図４Ａ乃至図４Ｄに示すように、人工筋肉１８は、例えば天然のラテックスゴムからなる円筒体１９にカーボン繊維シート２２を内挿した構成である。カーボン繊維シート２２は、複数のカーボン繊維２１が円筒体１９の軸方向に沿って配向されており、円筒体１９の軸方向への伸長を拘束する。円筒体１９の両端は、端子部材２３Ａ；２３Ｂにより閉塞される。これにより、円筒体１９の内周側には気室２６が形成される。一方の端子部材２３Ａには、後述のチューブ４５が接続され、気室２６に連通する空気取入口２５が設けられる。円筒体１９の外周には、複数のリング２４が軸方向に均等な間隔で設けられる。上記構成からなる人工筋肉１８の気室２６内に流体の一例としての空気を供給した場合、円筒体１９は、リング２４に区画された複数の瘤を有するように半径方向に膨張するとともに、カーボン繊維シート２２の拘束力によって軸方向に収縮する。また、気室２６内の空気を排気することによって、自然長に復帰（伸長）する。このような構成の人工筋肉１８を用いることによりアクチュエータ９を軽量化することができると共に、立上り動作に応じたアシスト力の変化を得ることができる。人工筋肉１８には、収縮ストロークに対する出力特性（牽引力）が、収縮初期に大きく、収縮末期に向けて徐々に小さくなるという特性を有している。この特性は、人の立上り動作において動作初期には大きな力が必要とされ、立上り動作の進行にともない必要とされる力が徐々に小さくなるという人の特性にちょうど対応しており、アシスト力を得るための動力源として好ましい。なお、人工筋肉としては、上述のものに限定されず、他のマッキベン型の人工筋肉等であっても良い。
【００１９】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、アクチュエータ９は、一対の人工筋肉１８；１８の伸縮軸が互いに平行となるように並列配置されてなる。人工筋肉１８；１８の各端部は、それぞれ下側連結材３０及び上側連結材３１により連結されて一体に構成される。下側連結材３０は、例えば、金属製の平板部材からなり、人工筋肉１８；１８の端子部材２３Ａがボルト等の固定手段により固定されることにより、人工筋肉１８；１８同士が一定間隔で位置決めされる。また、下側連結材３０には、下腿装具４と接続されるＬ字状の接続部３２が設けられる。接続部３２は、一方が下側連結材３０に固定されるとともに、他方が貫通孔３３を介して下腿装具４と接続される。
【００２０】
上側連結材３１は、例えば、金属製のアングル部材からなり、人工筋肉１８；１８の端子部材２３Ｂがボルト等の固定手段により固定されることにより、人工筋肉１８；１８同士が一定間隔で位置決めされる。また、上側連結材３１の中心部には、ワイヤ８の端部を固定するためのワイヤ固定部１４が設けられる。ワイヤ固定部１４としては、円孔やねじ穴等、ワイヤ８の折り返しによる接続や、止めねじ等の固定手段による接続が可能であればよく、ワイヤ８の端部が当該ワイヤ固定部１４を介してアクチュエータ９と強固に接続される。
【００２１】
図２に示すように、上記構成からなるアクチュエータ９は、下側連結材３０の接続部３２に形成された貫通孔３３を介して下腿装具４に設けられたアクチュエータ取付部１６にねじ止めされ、下腿装具４に対して回転自在に取り付けられる。なお、ねじ止めに限らず、ピンの挿通等によって回転自在としても良い。
【００２２】
図５は、動作アシスト装置１を人体に装着した時の幾何学的モデル図である。例えば、アクチュエータ９を構成する人工筋肉１８の数量については、以下の式（１）及び式（２）に基づいて算出できる。即ち、式（１）によりアクチュエータ９に必要とされるアシスト力（アシストトルク）Ｔをあらかじめ算出しておくことにより、人工筋肉１８の必要な数量を見積もることができる。
Ｔ＝２Ｆ（Ｐ１，θ）×（Ｌ１×ｓｉｎα＋Ｌ２×ｓｉｎβ）  式（１）
Ｆ＝（１／２）×２×Ｆ１                                  式（２）
Ｆ：アクチュエータモジュールによる牽引力［Ｎ］，
Ｐ１：人工筋肉への印加圧力［ＭＰａ］
Ｆ１：人工筋肉の収縮力［Ｎ］，
Ｌ１：大腿部長さ［ｍ］，
Ｌ２：下腿部長さ［ｍ］，
Ｌ３：膝関節の回転軸からワイヤガイドにおけるワイヤと当接する位置までの距離［ｍ］，
ｘ１＋Δｘ１：大腿部における駆動機構の長さ［ｍ］，
ｘ２＋Δｘ２：下腿部における駆動機構の長さ［ｍ］，
（本実施形態では、ｘ１＝Ｌ１，ｘ２＝Ｌ２）
θ：膝関節角度［ｒａｄ］，
α：大腿部とワイヤとの挟角［ｒａｄ］，
β：下腿部とワイヤとの挟角［ｒａｄ］，である。
【００２３】
次に、図２を参照してワイヤ８の経路について説明する。上述のとおり、ワイヤ８の両端部は、大腿装具２及び下腿装具４と接続されたアクチュエータ９に対して固定されている。より詳細には、大腿装具２側を起点として見た場合、ワイヤ８は、膝装具３に向けて延びるとともに、膝装具３に設けられたワイヤガイド１５に掛けられることによって延びる方向が曲げられ、アクチュエータ９及び下腿装具４に向けて延びる。アクチュエータ９に達したワイヤ８は、アクチュエータ９に設けられたワイヤ固定部１４を介して固定される。このような経路を有するワイヤ８としては、金属製に限らず有機繊維を撚り合わせた化繊のものであっても良い。ワイヤ８は、張力が付加されたときに伸長性の少ない素材のものが好ましい。また、耐久性を考慮した場合、金属製や非金属性の無機繊維のものが好ましく、重量の観点からは、有機繊維を撚り合わせた化繊のものが好ましい。
【００２４】
ワイヤ８の長さは、例えば、膝関節の屈曲状態が最大のときに、遊びがない長さに調整される。図６に示すように、膝関節の屈曲状態が最大のときとは、大腿部の延長線ｐ１と下腿部の延長線ｐ２との交差角度（関節角度）φが最小角度をとるときを意味し、この最小角度は、例えば膝を最大限折り曲げたときの大腿骨と下腿（脛）骨との関節角度である。即ち、関節角度φは、例えば、下腿部に対する大腿部の傾斜角度でもある。
【００２５】
上記アクチュエータ９は、駆動装置４０により制御される。駆動装置４０は、アクチュエータ９に圧縮空気を供給する空気供給手段４１と、圧縮空気の圧力を制御する制御弁４２と、空気供給手段４１からアクチュエータ９に供給する圧縮空気を制御するコントロールユニット４３とを備える。空気供給手段４１は、例えば、エアコンプレッサやエアタンクにより構成される。
【００２６】
制御弁４２は、アクチュエータ９に供給する空気の流量を調整する。制御弁４２には、例えば、比例電磁弁が適用される。比例電磁弁は、コントロールユニット４３から出力される信号に基づいて、空気供給手段４１に蓄圧された圧縮空気をアクチュエータ９に供給するときの空気の流量を調整する。比例電磁弁は、信号の入力が無いときには、アクチュエータ９への空気の供給を遮断するノーマルクローズ型である。制御弁４２は、空気供給手段４１とチューブ４４により接続され、アクチュエータ９とチューブ４５により接続される。チューブ４４及びチューブ４５には、耐圧かつ可撓性を有するものが好ましい。
【００２７】
また、例えば、制御弁４２とアクチュエータ９とを接続するチューブ４５の途中には、分岐管４６が設けられ、アクチュエータ９に供給された空気を排気する排気弁４７が設けられる。排気弁４７は、コントロールユニット４３から出力される信号に基づいて、排気弁４７を開閉することにより、アクチュエータ９の気室２６に供給された空気を排気する。
【００２８】
コントロールユニット４３は、演算手段としてのＣＰＵ、アシスト力を制御するためのプログラムを記憶するＲＯＭ、及び、動作検出センサ５０及び荷重検出センサ５１からの入力値や演算結果を一時的に記憶するＲＯＭ等の記憶手段を含むマイクロコンピュータを備える。コントロールユニット４３は、動作検出センサ５０及び荷重検出センサ５１から出力される出力値に応じて、制御弁４２や排気弁４７に出力する信号を制御する。コントロールユニット４３は、例えば、記憶手段に、荷重値と気室２６に供給する空気の圧力との対応関係を紐付けしたデータや、圧力算定式等を、予め記憶させておき、各センサ５０，５１により検出された荷重値や動作値に基づいて、制御弁４２や排気弁４７に出力する信号を制御する。
【００２９】
動作検出センサ５０は、人体の動作を検出するためのセンサであって、人がしゃがんだ状態から立ち上がる動作（立上り動作）を検出する。例えば、ワイヤ８の張力の変化や加速度センサ等を用いることができる。荷重検出センサ５１は、立上り動作におけるアシスト力を設定するためのセンサであって、例えば、足裏に係る荷重値を検出する。荷重検出センサ５１は、例えば、圧力センサ等を用いることができる。
【００３０】
動作検出センサ５０により検出された動作の検出値、及び荷重検出センサ５１により検出された荷重値は、それぞれコントロールユニット４３に出力される。コントロールユニット４３では、入力された検出値及び荷重値に基づいてアクチュエータ９に供給する空気の流量を演算処理する。
【００３１】
動作アシスト装置１の人体への装着方法について説明する。まず、大腿装具２、膝装具３、下腿装具４を脚の各部に装着する。次に、膝の折り曲げ状態が最大となるように、しゃがんだ姿勢で大腿部側のワイヤ固定部１１においてワイヤ８の張り調整を行う。本実施形態では、アクチュエータ９に可撓性を有する部材により構成された人工筋肉１８を適用しているため、遊びがゼロとなるようにワイヤ８の張り調整を行うことにより、アクチュエータ９によるアシスト力を遅滞なく得ることができる。
【００３２】
図７Ａ乃至図７Ｆは、動作アシスト装置１によるアシスト状態を示す図である。とりわけ、図７Ａは、人がしゃがんだ状態を示す図であり、図７Ｂは、図７Ａの状態における駆動機構５の動作状態を示す図である。図７Ｃは、人が立ち上がり動作中である状態を示す図であり、図７Ｄは、図７Ｃの状態における駆動機構５の動作状態を示す図である。図７Ｅは、人が立ち上った状態を示す図であり、図７Ｆは、図７Ｅの状態における駆動機構５の動作状態を示す図である。以下、動作アシスト装置１の動作について説明する。
【００３３】
図７Ａに示すように、例えば床に置かれた荷物を持ち上げようとしてしゃがみ、手に荷物を持つと、足裏に配置された荷重検出センサ５１により、荷物の重量と人の体重との合計値が荷重値としてコントロールユニット４３に出力される。このとき、動作アシスト装置１を装着した人の膝関節の屈曲状態は最大となっている。具体的には、大腿部の延長線ｐ１と下腿部の延長線ｐ２との交差角度（関節角度）φ（図６参照）が最小となっている。図７Ｂに示されているように、駆動機構５が、膝関節部との間に所定の間隔を有して膝関節部の前方（図７Ｂでは左側）に位置するワイヤガイド１５を有していることにより、膝関節の屈曲状態が最大となっている場合においても、ワイヤ８を膝関節部の前方を通るように案内することができる。
【００３４】
次に、荷物を手に持った状態から、人の意思によりしゃがんだ状態から立ち上がろうとする動作（図７Ｃ及び図７Ｅ）を動作検出センサ５０が検出することにより、信号がコントロールユニット４３に出力される。コントロールユニット４３は、入力された荷重値を立上がり動作マップに照らし合わせ、所定のアシスト力が得られるように制御弁４２に出力する信号を決定する。この場合、制御弁４２にのみ信号を出力し、排気弁４７は閉じたままとする。
【００３５】
図７Ｄ及び図７Ｆに示すように、制御弁４２の動作による空気の供給により、アクチュエータ９が軸方向に収縮し、ワイヤ８を牽引する。ワイヤ８が牽引されると、ワイヤガイド１５を基点として膝装具３が膝関節を駆動機構５の両端５ａ，５ｂを結んだ仮想直線Ｌ側に押圧するため、立ち上がるのに十分なアシスト力を得ることができる。
【００３６】
即ち、本実施形態では、図７Ａ乃至図７Ｆに示すように、膝装具３を中心として大腿装具２及び下腿装具４に渡ってワイヤ８が延びて架設されているため、膝関節には上述の方向への押圧力が加わると同時に、大腿部及び下腿部には、上記方向とは逆の牽引力が加わるため、膝関節を中心とする脚部を伸展させるための十分なアシスト力を確保することができる。
【００３７】
より詳細には、図２、図５及び図７Ａ乃至図７Ｆに示された例では、駆動機構５がワイヤガイド１５を有しており、このワイヤガイド１５が、膝関節部との間に、装着者の前後方向に所定の間隔を有して膝関節部の前方に位置している。これにより、図７Ａ及び図７Ｂに示すような、しゃがんだときすなわち膝関節の屈曲状態が最大となるとき、図７Ｃ及び図７Ｄに示すような、立ち上がり動作中すなわち膝関節の屈曲状態が中間のとき、並びに、図７Ｅ及び図７Ｆに示すような、立ち上った状態すなわち膝関節の屈曲状態が最小となるときのいずれの状態においても、駆動機構５の長さは、装着者の大腿部及び下腿部の合計長さよりも長くなる。ここで、駆動機構５の長さとは、駆動機構５の一端５ａからワイヤガイド１５を経由して駆動機構５の他端５ｂまでの長さであり、装着者の大腿部及び下腿部の合計長さとは、下腿部における駆動機構５の一端５ａの直下に位置する点から膝関節部を経由して大腿部における駆動機構５の他端５ｂの直下に位置する点までの長さである。
【００３８】
また、少なくとも膝関節の屈曲状態が最大となるとき、及び、膝関節の屈曲状態が中間のときには、装着者の大腿部及び下腿部の合計長さは、仮想直線Ｌの長さよりも長くなる。したがって、少なくとも膝関節の屈曲状態が最大となるとき、及び、膝関節の屈曲状態が中間のときには、駆動機構５の長さは、装着者の大腿部及び下腿部の合計長さよりも長くなり、且つ、装着者の大腿部及び下腿部の合計長さは、仮想直線Ｌの長さよりも長くなる。
【００３９】
駆動機構５の長さ、装着者の大腿部及び下腿部の合計長さ、及び、仮想直線Ｌの長さが上述の関係を満たす場合、アクチュエータ９を収縮させて駆動機構５の長さを小さくすることにより、ワイヤガイド１５は、ワイヤ８から仮想直線Ｌ側に向かう押圧力を受ける。この押圧力が、膝装具（第３装具）３を介して装着者の膝関節に作用し、膝関節が、駆動機構５の両端５ａ，５ｂを結んだ仮想直線Ｌ側に押圧される。これにより、膝関節角度θ（図５参照）は増大するように変化する。すなわち、アクチュエータ９を収縮させて駆動機構５の長さを小さくすることにより、ワイヤガイド１５がワイヤ８から受ける、仮想直線Ｌ側に向かう押圧力が、膝関節を中心として装着者の大腿部及び下腿部を伸展させるためのアシスト力となる。これにより、装着者は、動作アシスト装置１から、しゃがんだ状態から立ち上がるための十分なアシスト力を得ることができる。
【００４０】
とりわけ、本実施形態の動作アシスト装置１では、引張り力（牽引力）を生じるアクチュエータ９及びワイヤ８を有する比較的簡単な構成により、装着者の大腿部及び下腿部を伸展させるためのアシスト力を得ることができるので、従来技術のようにリンク部材やギア機構を用いた装置に比べて、動作アシスト装置１を効果的に小型化及び軽量化することができる。このことは、医療系のトレーニングシステムやリハビリテーション等の分野において用いられ得る動作アシスト装置１において、大きな利点である。
【００４１】
以下、図８Ａ乃至図８Ｅを参照して、動作アシスト装置１の他の実施形態について説明する。なお、各図において大腿装具２、膝装具３及び下腿装具４については破線で示す。
【００４２】
図８Ａは、アクチュエータ９の位置を下腿側から大腿側に変更した例を示す。本例においてアクチュエータ９は、大腿装具２と接続されており、ワイヤ８の一端部側がアクチュエータ９に設けられた係止部９Ａを介して大腿装具２と接続されると共に、他端部側が膝装具３のワイヤガイド１５を経由し下腿装具４に設けられたワイヤ固定部７を介して下腿装具４と接続されている。
【００４３】
本例に係る動作アシスト装置１によれば、比較的重量のあるアクチュエータ９が大腿側となることにより、人体における重心位置に重量物が近づくため、装着時の重量感を小さくできる。
【００４４】
図８Ｂは、アクチュエータ９；９を大腿側及び下腿側の両方に設けた例を示す。本例においてアクチュエータ９；９は、大腿装具２及び下腿装具４とそれぞれ接続されており、ワイヤ８の一端部側が大腿側に位置するアクチュエータ９の係止部９Ａを介して大腿装具２と接続され、他端部側が膝装具３のワイヤガイド１５を経由し、下腿側に位置するアクチュエータ９のワイヤ固定部１４を介して下腿装具４と接続されている。
【００４５】
本例に係る動作アシスト装置１によれば、アクチュエータ９；９がそれぞれ大腿側及び下腿側に設けられたことにより、各アクチュエータ９を同期して動作させた場合に得られるアシスト力を２倍とすることが可能となる。
【００４６】
図８Ｃは、ワイヤ８の固定端部を膝装具３側に設定した例を示す。本例において下腿装具４と接続されたアクチュエータ９には、ワイヤ固定部１４に代えてワイヤ８の経路を膝関節部側に反転させる反転部２０が設けられる。なお、反転部２０としては前述のワイヤガイド１５と同様に牽引されるワイヤ８の移動を阻害しない部材であれば良い。同図に示すように、膝関節部から下腿部側に延びるワイヤ８は、反転部２０によってその経路が反転され、膝関節部側に延びる。そして、膝関節側に延びるワイヤ８の端部は、膝装具３に設けられたワイヤ固定部１４において強固に固定される。
【００４７】
本例に係る動作アシスト装置１によれば、アクチュエータ９の収縮量の２倍の牽引量でワイヤ８が牽引されるため、膝関節などの屈曲から伸展までの関節角度の変化が大きい部位であってもストローク量の小さいアクチュエータを採用することができる。
【００４８】
なお、本例においては、ワイヤ８の固定端を膝関節部側、即ち、膝装具３上に設定したが、ワイヤ８の経路を反転させ得る位置であればこれに限られるものではなく、例えば各装具とは別の部位を固定端として設定しても良い。
【００４９】
図８Ｄは、アクチュエータ９の反転部２０を複数の滑車により構成した例を示す。本例において反転部２０は、複数の滑車により構成される。複数の滑車は、例えば、外径の異なる小径の滑車２０Ａと大径の滑車２０Ｂとを同軸かつ、個別に回転自在に設けて構成される。また、膝装具３に設けられたワイヤガイド１５は、反転部２０を構成する滑車２０Ａ；２０Ｂに対応する複数の滑車により構成される。ワイヤガイド１５を構成する複数の滑車１５Ａ；１５Ｂは、例えば滑車２０Ａ；２０Ｂと同様に、外径の異なる小径の滑車１５Ａと大径の滑車１５Ｂとを同軸、かつ個別に回転自在に設けて構成される。同図に示すように、大腿部から膝関節部に延びるワイヤ８は、膝装具３に設けられた大径の滑車１５Ａにガイドされて下腿部側に延びる。滑車１５Ａから下腿部側に延びるワイヤ８は、滑車２０Ａによってその経路が反転され、膝関節部側に延びる。滑車２０Ａから膝関節側に延びるワイヤ８は、滑車１５Ｂによってその経路が反転され、下腿部側に延びる。滑車１５Ｂから下腿部側に延びるワイヤ８は、滑車２０Ｂによってその経路が反転され、膝関節部側に延びる。そして、膝関節部側に延びるワイヤ８の端部は、膝装具３に設けられたワイヤ固定部１４において強固に固定される。
【００５０】
本例に係る動作アシスト装置１によれば、アクチュエータ９の収縮量よりも大きな牽引量でワイヤ８が牽引されるため、よりストローク量の小さいアクチュエータを採用することができる。
【００５１】
なお、本例においては、反転部２０を構成する複数の滑車を大きさの異なる大小２つの滑車で構成したが、ワイヤ８の経路の反転を複数回できるものであればこれに限られるものではなく、数量や滑車の大小関係については、必要とされる牽引量に収縮量を倍化できるように適宜設定すれば良い。例えば各装具とは別の部位を固定端として設定しても良い。
【００５２】
図８Ｅは、アクチュエータ９の反転部２０を複数の滑車により構成した他の例を示す。
【００５３】
本例において大腿装具２と下腿装具４とを接続するワイヤ８は、大腿装具２からに延びるワイヤ８Ａと、下腿装具４側において延びるワイヤ８Ｂとで構成され、膝装具３と下腿装具４との間にワイヤ８Ａの経路を反転させる滑車２９と、アクチュエータ９にワイヤ８Ｂの経路を膝関節部側に反転させる反転部２０とが設けられる。即ち、滑車２９と滑車で構成された反転部２０とが多段に設けられている。同図に示すように、一端部が大腿装具２に固定され、大腿部から膝関節部に延びるワイヤ８Ａは、膝装具３に設けられたワイヤガイド１５にガイドされて下腿部側に延びる。ワイヤガイド１５から下腿部側に延びるワイヤ８は、滑車２９によってその経路が反転され、膝関節部側に延びる。そして、膝関節側に延びるワイヤ８Ａの他端部は、膝装具３に設けられたワイヤ固定部１４において強固に固定される。ワイヤ８Ｂは、一端が滑車２９の回転軸２９Ａに固定され、下腿装具４側に延びる。下腿装具４側に延びるワイヤ８Ｂは、アクチュエータ９の反転部２０により経路が反転され、膝関節部側に延びる。そして、膝関節側に延びるワイヤ８Ｂの他端部は、膝装具３に設けられたワイヤ固定部１４においてワイヤ８Ａとともに強固に固定される。
【００５４】
本例に係る動作アシスト装置１によれば、アクチュエータ９の収縮量よりも大きな牽引量でワイヤ８が牽引されるため、よりストローク量の小さいアクチュエータを採用することができる。
【００５５】
なお、本例においては、反転部２０を構成する複数の滑車の段数は、これに限られるものではなく、滑車の段数については、必要とされる牽引量に収縮量を倍化できるように適宜設定すれば良い。例えば各装具とは別の部位を固定端として設定しても良い。
【００５６】
なお、本実施形態では、アクチュエータ９を２つの人工筋肉１８；１８により構成したが、必要とされるアシスト力に応じて１つ、若しくは３つ以上を並列に設けても良い。また、アクチュエータ９を人工筋肉１８により構成するとして説明したが、駆動源として空気を用いる場合には、エアシリンダ等であっても良い。また、駆動源として電力を用いる場合には、モータとボールねじ機構を組み合わせて、滑車１０を牽引するようにしても良い。つまり、ワイヤ８を牽引し得る伸縮動作可能なアクチュエータであればその種別は問わない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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