【手続補正書】
【提出日】平成15年10月14日(2003.10.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体との親和性に優れた運動拘束具、及び擬似体験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メカトロニクス技術は、福祉やスポーツで人間の運動能力を機械的に支援する目的でも盛んな研究がなされており、実際に、高齢者や身障者等、身体機能に障害を有する者の筋力を補助するサポータや、重力や空気抵抗等の人体に作用する力を擬似的に表現して、仮想現実的にスポーツトレーニングを行うための擬似体験装置が存在する。
【０００３】
これらには人体の関節等の運動を拘束するための要素（以下、運動拘束要素）が多く用いられているが、従来の機械的な運動拘束要素は、例えば、回転ジョイント部のベアリング、直線運動を作るスライドベアリング、ディスクブレーキ等、剛体からなり、一般に大型かつ重量のものである。
【０００４】
一方、ゴム等の弾性体を用いた柔軟な変形アクチュエータ（特願平4-266576）には、弾性体の伸縮運動や曲げ運動を規制して、変形アクチュエータの運動方向を一定に保つために、糸や炭素繊維等の運動拘束要素が配設されており、該運動拘束要素は柔軟かつ軽量のものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
人体の関節運動を拘束して、人体装着型の前記サポータや擬似体験装置を、前述したような機械的な運動拘束要素を用いて実現した場合には、擬似体験装置全体が堅く重いものとなってしまい、人体との親和性が極めて悪いものになるという問題がある。
【０００６】
一方、前記変形アクチュエータを用いた場合には、柔軟かつ軽量な擬似体験装置を実現することができるが、該擬似体験装置自体が運動力を発生するものであるので、人体に過度の運動力や負荷を与えることがあり、安全性を保証することが難しい。さらに、擬似体験装置を人体に装着した場合に、装着者が違和感を感じないようにするためには、装着部の重量が極めて軽いことが必要であるが、前記変形アクチュエータでは、この条件を満足させることができない。
【０００７】
本発明は、これらの点に鑑みてなされたものであり、人体との親和性が高く、かつ、可変的に運動を拘束する運動拘束具、及び現実感の高い擬似体験装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る運動拘束具は、伸縮運動を可変的に拘束する運動拘束具であって、外力が作用する作用端間に、伸縮部と非伸縮部とを直列的に配列した伸縮拘束部材が対向して架設されてなる運動拘束手段と、対向する伸縮拘束部材を密着させて、非伸縮部の密着面に、前記外力に対する抗力を発生させる密着手段とを具備したものである。
これにより、任意の伸縮状態において、対向する伸縮拘束部材の非伸縮部を密着させて密着面に摩擦力を発生させ、伸縮運動の可変的な拘束を行う。
【０００９】
また、本発明（請求項２）は、請求項１記載の運動拘束具において、請求項１記載の運動拘束具において、前記伸縮拘束部材の非伸縮部は、密着面にラック構造を有するものであり、前記密着手段により密着されて、対向する非伸縮部のラック構造が噛合するものである。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係る運動拘束具は、曲げ運動を可変的に拘束する運動拘束具であって、外力により曲げ変形し、かつ、非伸縮の曲げ拘束部材が、複数列設された運動拘束手段と、列設された曲げ拘束部材を密着させて、該曲げ拘束部材の密着面に、前記外力に対する抗力を発生させる密着手段とを具備したものである。
これにより、任意の曲げ状態において、各曲げ拘束部材同士を密着させて密着面に摩擦力を発生させ、曲げ運動の可変的な拘束を行う。
【００１１】
また、本発明（請求項４）は、請求項３記載の運動拘束具において、前記運動拘束手段は、薄膜状の曲げ拘束部材が複数積層されたものである。
これにより、１方向の曲げ運動を可変的に拘束する
【００１２】
また、本発明（請求項５）は、請求項４記載の運動拘束具において、前記曲げ拘束部材の密着面に凹凸が夫々形成されたものである。
これにより、より小さな法線力で大きな摩擦を生じさせる。
【００１３】
また、本発明（請求項６）は、請求項３記載の運動拘束具において、前記運動拘束手段は、繊維状の曲げ拘束部材が複数集束されたものである。
これにより、２方向の曲げ運動を可変的に拘束する。
【００１４】
また、本発明の請求項７に係る運動拘束具は、運動を可変的に拘束する運動拘束具であって、内部空間に複数の粒状体が装填され、外力により変形自在な中空柱体状の運動拘束手段と、前記運動拘束手段の内部空間を負圧とすることにより粒状体を密着させて、該粒状体の密着面に、前記外力に対する抗力を発生させる密着手段とを具備したものである。
これにより、任意の収縮、曲げ、捻り状態において、運動拘束手段に装填された粒状体同士を密着させて摩擦力を発生させ、運動の可変的な拘束を行う。
【００１５】
また、本発明（請求項８）は、請求項７記載の運動拘束具において、前記運動拘束手段は、内部空間に流出入する作動流体が流出入可能な内壁により内部空間が複数の小胞に分割されたものである。
これにより、前記流状体の移動範囲を一定範囲に規制することができる。
【００１６】
また、本発明（請求項９）は、請求項８記載の運動拘束具において、前記内壁にリング状の芯材を設けたものである。
【００１７】
また、本発明の請求項１０に係る擬似体験装置は、人体に作用する外力を仮想現実的に体験させる擬似体験装置において請求項１、請求項３、又は請求項７記載の少なくともいずれか一つの運動拘束具と、関節の角度、運動速度、又は抗力の少なくともいずれか一つを検知して検知信号を発信するセンサとを備えてなる弾性変形自在な関節装着具と、前記検知信号を受けて、前記運動拘束具に生ずる抗力を制御する制御手段とを具備するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る運動拘束具を、図面に基づいて具体的に説明する。
第１の実施の形態に係る運動拘束具１００は、伸縮運動を可変的に拘束するものであって、図１及び図２に示すように、外力が作用する作用端部１０間に、２枚の伸縮拘束部材１０２が対向して架設されて運動拘束手段を構成し、該伸縮高速部材１０２を内包し、かつ、作用端部１０とともに密閉空間を形成する筒体１０１と、筒体１０１の内部空間と連通されたポンプ（図示せず）とを備えたものである。
【００１９】
前記筒体１０１は、側周壁が、伸縮自在であって、内部空間に流出入する作動流体を透過させない材質からなり、前記作用端部１０と一体となって、内部に一定容積の密閉空間を形成している。また、前記作用端部１０の一方には、内部空間に作動流体を流通させるための流通口１１が設けられている。なお、作動流体は、空気や水のように流動性を有するものであれば、特に限定されるものではない。
【００２０】
図２に示すように、伸縮拘束部材１０２は、ゴム等の伸縮自在な弾性体からなる伸縮部２０と伸縮しない材料からなる非伸縮部２１とを直列的に配列した薄板状のものであり、２枚の伸縮拘束部材１０２が、各非伸縮部２１が対称な位置関係となるように対向されて、前記作用端部１０間に架設されている。詳細には、一方の作用端部１０には、一方の伸縮拘束部材１０２の伸縮部２０と他方の伸縮拘束部材１０２の非伸縮部２１とが固着され、他方の作用端部１０には、一方の伸縮拘束部材１０２の非伸縮部２１と他方の伸縮拘束部材１０２の伸縮部２０とが固着されている。
【００２１】
本運動拘束具１００が伸縮運動を拘束しない場合は、図２(a)に示すように、筒体１０１の内部空間が適量の作動流体で満たされて、筒体１０１の内部圧と外部の大気圧とが均衡した状態で、これにより、一定容積の内部空間が維持されて、対向する伸縮拘束部材１０２は常に離間された状態となっている。したがって、運動拘束具１００は、伸縮拘束部材１０２の伸縮部２０の弾性により、外力が作用すれば矢印方向へ伸縮自在である。
【００２２】
一方、伸縮運動を拘束する場合は、図２(b)に示すように、任意の伸縮状態において、ポンプ（図示せず）の吸引力により筒体１０１の内部空間にある作動流体が流出されて、筒体１０１の内部圧が負圧となり、２枚の伸縮拘束部材１０２が密着される。これにより、２枚の伸縮拘束部材１０２の非伸縮部２１の密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が伸縮運動を引き起こす外力に対する抗力となって、伸縮運動を拘束する。また、この状態から、筒体１０１の内部空間に作動流体を流入すれば、再び伸縮拘束部材１０２は離間されて、伸縮運動の拘束が解除される。
【００２３】
前記摩擦力は、非伸縮部２１の密着面に作用する法線方向の力（法線力）に、非伸縮部２１の密着面の摩擦係数を乗じたものであるから、法線力を制御することにより、該密着面に生ずる摩擦力を制御することができる。すなわち、筒体１０１の内部圧を制御することにより、伸縮運動の拘束力を任意に変動させることができる。
【００２４】
なお、伸縮拘束部材１０２の伸縮部２０と非伸縮部２１の配列は、前記実施の形態で示したものに限られず、例えば図３に示すように、該伸縮部２０と非伸縮部２１とを交互に繰り返し直列に配列させるものとしてもよい。ただし、伸縮運動を拘束するためには、対向する非伸縮部２１同士が密着することが必要であるから、必要とする伸縮拘束部材１０２の伸縮幅を考慮して、伸縮部２０及び非伸縮部２１の長さ及び配列を設定する。
【００２５】
また、前記運動拘束具１００の拘束力は、前記非伸縮部２１の密着面の摩擦係数や密着面積に依存したものとなり、該摩擦係数は、前記非伸縮部２１の素材や密着面の粗さ等により定まる。そこで、前記非伸縮部２１の密着面に、例えば、図４に示すような球状の凹凸（図４(a)）や三角形の凹凸（図４(b)）等の凹凸や突起を複数形成することにより、より小さな法線力で大きな摩擦力を生じさせて、伸縮運動の拘束力の上限を向上させることができる。
【００２６】
また、伸縮拘束部材１０２の各非伸縮部２１に、図５に示すようなラック構造を形成して、対向する伸縮拘束部材１０２の非伸縮部２１同士を密着させることにより該ラック構造が噛合するものとすれば、小さな法線力で伸縮運動を完全に拘束することができる。
【００２７】
一方、密着面積は、伸縮拘束部材１０２の非伸縮部２１自体を大きくすることで広くさせることができるが、あまりに大きくすると運動拘束具１００も大きなものとなり、人体との親和性が低下するので、図６に示すように、複数の伸縮拘束部材１０２を積層することにより前記非伸縮部２１の密着面積を増加させて、人体との親和性を低下させることなく伸縮運動の拘束力の上限を向上することができる。
【００２８】
このように、本運動拘束１００によれば、筒体１０１とポンプとを密着手段として、任意の伸縮状態において筒体１０１の内部圧を減少させて伸縮拘束部材１０２の非伸縮部２１を密着することにより、該非伸縮部２１の密着面に摩擦力を発生させて伸縮運動を拘束することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態に係る運動拘束具１００においては、筒体１０１の内部空間を負圧とすることにより伸縮拘束部材１０２同士を密着させるものとしたが、正圧により伸縮拘束部材１０２同士を密着させるものとすることもできる。
詳細には、図７に示すように、変形しない剛体からなる矩形の枠１１を、一定間隔で筒体１０１に複数設け、作動流体が流出入されるゴム袋１２を、筒体１０１の内部空間であって伸縮拘束部材１０２と筒体１０１との間の空間に配置する。なお、図７においては筒体１０１は省略している。前記ゴム袋１２に作動流体を流入させれば、筒体１０１の内部空間で該ゴム袋１２が膨張して伸縮拘束部材１０２を圧迫し、これにより、対向する伸縮拘束部材１０２が密着する。
【００３０】
以下、前記第１の実施の形態の変形例に係る運動拘束具１００ａを、図面に基づいて具体的に説明する。
本変形例に係る運動拘束具１００ａは、伸縮拘束部材１０２ａを静電力により密着させるものであり、図８に示すように、外力が作用する作用端部１０間に、２枚の伸縮拘束部材１０２ａが対向して架設されたものである。なお、図において前記第１の実施の形態と同一符号は同一のものを示している。
【００３１】
図８に示すように、伸縮拘束部材１０２ａは、ゴム等の伸縮自在な弾性体からなる伸縮部２０と伸縮しない材料からなる非伸縮部２１とを直列的に配列した薄板状のものの一方の表面に、電極２２が積層されたものであり、２枚の伸縮拘束部材１０２ａが、各非伸縮部２１が対称な位置関係となるように対向され、かつ、各電極２２が接触しないように、前記作用端部１０間に架設されている。
【００３２】
前記伸縮部２０及び非伸縮部２１には、例えばシリコンゴムとポリイミドのように絶縁性を有する素材を用いる。また、各電極２２は、電源１０３に電気的に接続されている。
なお、人体への感電を防止するために、２枚の伸縮拘束部材１０２ａを絶縁体等で被覆することが望ましい。
【００３３】
本運動拘束具１００ａが伸縮運動を拘束しない場合は、図８(a)に示すように、前記電極２２に電荷が与えられていない状態で、対向する伸縮拘束部材１０２ａは常に離間された状態となっている。したがって、運動拘束具１００ａは、伸縮拘束部材１０２の伸縮部２０の弾性により、外力が作用すれば矢印方向へ伸縮自在である。
【００３４】
一方、伸縮運動を拘束する場合は、図８(b)に示すように、任意の伸縮状態において、電源１０３から正電荷又は負電荷が、２つの電極２２それぞれに異なるように与えられて各電極２２が帯電し、これにより、各電極２２に正又は負それぞれの静電力が発生し、２枚の伸縮拘束部材１０２ａが引きつけられて密着される。したがって、前記第１の実施の形態と同様に、２枚の伸縮拘束部材１０２ａの非伸縮部２１の密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が伸縮運動を引き起こす外力に対する抗力となって、伸縮運動を拘束する。また、この状態から、各電極２２に同じ電荷を与えれば、電極２２同士が反発して２枚の伸縮拘束部材１０２ａが離間され、伸縮運動の拘束が解除される。なお、各電極２２に同じ電荷を与える代わりに、２つの電極２２間をショートさせて静電力を消失させることにより、伸縮運動の拘束を解除するような構成としてもよい。
【００３５】
このように、本運動拘束具１００ａによれば、前記各電極２２と電源１０３とを密着手段として、伸縮拘束部材１０２ａ間に静電力を発生させて非伸縮部２１を密着することにより、伸縮運動を拘束することができる。
【００３６】
以下、本発明の第２の実施の形態に係る運動拘束具を、図面に基づいて具体的に説明する。
第２の実施の形態に係る運動拘束具２００は、図９に示すように、曲げ運動を拘束する複数の曲げ拘束部材２０１と、電源２０２とを備えたものである。
【００３７】
図９に示すように、曲げ拘束部材２０１は、ポリイミド等の絶縁材料からなる矩形の絶縁フィルム１３の一面に、正電荷又は負電荷を帯電させるための電極１４を貼着した薄膜状のものであり、各電極１４同士が直接接触しないように複数の曲げ拘束部材２０１が積層されている。ただし、積層された曲げ拘束部材２０１同士は何ら固着されているものではない。前記絶縁フィルム１３は、曲げ変形が自由となる程度に十分薄いものであり、かつ非伸縮性のものである。
このように、複数の曲げ拘束部材２０１が積層されて運動拘束手段を構成している。
【００３８】
なお、図には示していないが、前記複数の曲げ拘束部材２０１は、人体への感電を防止し、かつ、積層された複数の曲げ拘束部材２０１を、各曲げ拘束部材２０１同士が面接触した状態に維持するために、外力により変形自在な絶縁包体に内包されている。
また、電源２０２は、前記各電極１４間に静電力を発生させるための電圧を付与するものであり、積層された曲げ拘束部材２０１の各電極１４と、積層順に正極と負極とが交互となるように結線されている。
【００３９】
本運動拘束具２００が曲げ運動を拘束しない場合は、図９(a)に示すように、前記各電極１４が帯電していない状態にあり、運動拘束具２００に外力が作用すれば、各曲げ拘束部材２０１は各々外力に応じて矢印に示す方向に曲げ変形する。前述したように、各曲げ拘束部材２０１同士は固着されていないので、各曲げ拘束部材２０１は、外力に応じて、互いに接触している面同士が滑るようにして曲げ変形する。
【００４０】
一方、伸縮運動を拘束する場合は、図９(b)に示すように、任意の曲げ状態において、電源２０３が前記各電極１４に電圧を付与して、積層順に正電荷又は負電荷が各電極１４に交互に与えられて帯電し、これにより、静電力が発生して、各曲げ拘束部材２０１同士が引きつけられて密着する。その結果、曲げ拘束部材２０１の密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が曲げ拘束部材２０１の曲げ変形を引き起こす外力に対する抗力となって、曲げ運動を拘束する。
【００４１】
また、曲げ運動を拘束した状態から、異なる電荷が帯電した電極１４間をショートさせて静電力を消失させることにより、曲げ拘束部材２０１間の密着力が失われ、曲げ運動の拘束が解除される。
なお、前記電極１４間をショートさせる代わりに、各電極１４に同じ電荷を帯電させて、静電力により各電極１４を反発させることとしてもよい。
【００４２】
このように、本運動拘束具２００によれば、前記各電極１４と電源２０３とを密着手段として、任意の曲げ状態において各曲げ拘束部材２０１の電極１４を帯電させて曲げ拘束部材２０１同士を静電力により密着することにより、密着面に摩擦力を発生させて曲げ運動を拘束することができる。
【００４３】
なお、前記第２の実施の形態においては、各曲げ拘束部材２０１を静電力により密着させるものとしたが、静電力に代えて大気圧により密着させるものとしてもよい。詳細には、図１０に示すように、曲げ変形可能な薄膜状の曲げ運動拘束部材２０１ａを積層して、作動流体を流出入させるための流通口が設けられた包袋２０３に内包させる。曲げ運動を拘束しない場合は、包袋２０３の内部空間が適量の作動流体で満たされて外部の大気圧と均衡し、各曲げ拘束部材２０１ａは、他の曲げ拘束部材２０１ａの接触面に曲げ運動を拘束されず、外力に応じて曲げ変形する。
【００４４】
一方、曲げ運動を拘束する場合は、ポンプ（図示せず）により包袋２０３の内部空間にある作動流体を流出して包袋２０３の内部圧を負圧とし、各曲げ拘束部材２０１ａを密着させる。これにより、前述と同様に各曲げ拘束部材２０１ａの密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が曲げ運動を引き起こす外力に対する抗力となって、曲げ運動を拘束する。
【００４５】
また、静電力に代えて電磁力により密着力を生じさせるものとしてもよい。詳細には、図１１に示すように、曲げ変形可能かつ磁性を有する薄膜状の曲げ拘束部材２０１ｂを積層し、該曲げ拘束部材２０１ｂの近傍に、磁束Ｎが曲げ拘束部材２０１を貫通するようにコイル２０４を配設する。曲げ運動を拘束する場合は、コイル２０４に電流Ｉを与えて磁場を発生させることにより、各曲げ拘束部材２０１ｂに分極が生じて、各曲げ拘束部材２０１ａが密着する。なお、該密着力は、コイル２０４に与える電流Ｉを制御することにより任意に変化させることができる。
【００４６】
ただし、前記密着力を維持するためには、コイル２０４に常に電流Ｉを与え続けること必要であり、曲げ拘束を維持する時間が長い場合には、エネルギーの損失が大きくなる。これは以下の方法により解決できる。
磁性体固有のキュリー温度以上で外部から磁場を与え、該磁場を与えたまま温度を下げれば、磁性体を自発磁化の永久磁石として用いることができる。また、磁場を与えない状態で再びキュリー温度以上に加温すれば、磁気モーメントの方向が乱れ、磁性体は永久磁石として機能しなくなる。この原理を利用することにより、曲げ拘束を維持する必要があるときには、磁性体からなる曲げ拘束部材２０１ａをキュリー温度以上に加熱してからコイル２０４により磁場を発生させて、曲げ拘束部材２０１ａを永久磁石とすれば、電流Ｉを流し続ける必要がなくなり、エネルギーの損失を減少させることができる。
【００４７】
また、図１２に示すように、コイル２０４により磁場を発生させる方法に代えて、積層された複数の曲げ拘束部材２０１ｂ間に、永久磁石ロッド２０５を回転自在に配設し、永久磁石ロッド２０５により磁場を制御することもできる。曲げ運動を拘束する場合には、図に示すように、永久磁石ロッド２０５の磁束Ｎの方向を曲げ拘束部材２０１ｂの面に対して法線方向となるようにして、曲げ拘束部材２０１ｂに磁場を与え、曲げ運動を拘束しない場合は、永久磁石ロッド２０５の磁束Ｎの方向を曲げ拘束部材２０１ｂの面と平行になるように回転させる。
【００４８】
また、静電力に代えてローレンツ力により密着力を生じさせるものとすることもできる。例えば、図１３に示すように、各曲げ拘束部材２０１ｂの一面に電極１４ａを各々貼着して積層し、これに曲げ拘束部材２０１ｂの面と並行な磁場を与える。前記各電極１４ａに、電流を積層順に交互となる方向に流すと、図１４(a)に示すように、各曲げ拘束部材２０１ｂには積層順に交互となる方向にローレンツ力が生じて２枚の曲げ拘束部材２０１ｂ毎に密着するが、その密着した曲げ拘束部材２０１ｂ同士には密着力が発生しない。一方、前記各電極１４ａに、電流を同方向に流すと、図１４(b)に示すように、各曲げ拘束部材２０１ｂには同方向にローレンツ力が生じてすべての曲げ拘束部材２０１ｂが密着する。該ローレンツ力は、前記電極１４ａに流す電流の大きさにより制御できる。
このように、積層された曲げ拘束部材を密着させる手段として、静電力のほか、大気圧、電磁力、ローレンツ力等を利用した様々な構成を用いることができる。
【００４９】
以下、前記第２の実施の形態の変形例に係る運動拘束具２００ａを、図面に基づいて具体的に説明する。
本変形例に係る運動拘束具２００ａは、図１５に示すように、曲げ運動を拘束する複数の曲げ拘束部材２０６と、複数の曲げ拘束部材２０６を内包する包袋２０７と、ポンプ（図示せず）とを備えたものである。
【００５０】
図１５に示すように、曲げ拘束部材２０６は、断面形状が６角形のファイバー状のものであり、該曲げ拘束部材２０６は、互いに各側面が接するように束ねられているが、何ら固着されているものではない。これにより、曲げ拘束部材２０６は、曲げ変形自在かつ非伸縮性のものとなっている。
【００５１】
前記包袋２０７は、軟質で内部空間に流出入する作動流体を透過させない素材からなり、その端部近傍には、内部空間に作動流体を流通させるための流通口７０が設けられている。包袋２０７が前記曲げ拘束部材２０６を囲繞することにより、該曲げ拘束部材２０６が一定の配置で組み合わされた状態を維持している。なお、作動流体は、空気や水のように流動性を有するものであれば、特に限定されるものではない。
【００５２】
本運動拘束具２００ａが曲げ運動を拘束しない場合は、包袋２０７の内部空間が適量の作動流体で満たされて外部の大気圧と均衡し、各曲げ拘束部材２０６は、他の曲げ拘束部材２０６の接触面に曲げ運動を拘束されず、外力に応じて矢印に示す方向に曲げ変形する。
【００５３】
一方、曲げ運動を拘束する場合は、ポンプ（図示せず）により包袋２０７の内部空間にある作動流体を流出させて内部圧を負圧とし、各曲げ拘束部材２０６を密着させる。これにより、各曲げ拘束部材２０６の密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が曲げ運動を引き起こす外力に対する抗力となって、曲げ運動を拘束する。
このように、本運動拘束具２００ａによれば、２方向の曲げ運動を拘束することができる。
【００５４】
なお、曲げ拘束部材２０６の断面形状を、例えば矩形等、他の多角形状とすることもできる。また、第１の実施の形態で説明したように、大気圧に代えて静電力により曲げ拘束部材２０６同士の接面に密着力を発生させるものとしてもよい。
【００５５】
図１６は矩形の曲げ拘束部材２０６ａに電極を設けた状態を示す模式図であるが、図に示すように、絶縁材料からなる各曲げ拘束部材２０６ａの軸中心に、十字状の電極６０を埋め込み、隣接する曲げ拘束部材２０６ａ同士の電荷が異なるように帯電させて、上下及び左右同士に隣接する曲げ拘束部材２０６ａを静電力により生ずる摩擦力により曲げ運動を拘束する。
【００５６】
このように、前記電極６０の断面形状を十字状にすることにより、斜め方向にある電極６０間の絶縁材料の厚みが増加するので、上下及び左右に隣接する曲げ拘束部材２０６ａに静電力を生じさせ、かつ、斜め方向にある曲げ拘束部材２０６ａ間には静電力を極力生じないようにすることができる。
【００５７】
以下、本発明の第３の実施の形態に係る運動拘束具３００を、図面に基づいて具体的に説明する。
第３の実施の形態に係る運動拘束具３００は、伸縮運動、曲げ運動、捻り運動のすべてを拘束する運動拘束具であって、図１７に示すように、内部空間に複数の粒状体１５が装填された中空柱体状の運動拘束部材３０１と、ポンプ（図示せず）とを備えたものである。
【００５８】
前記運動拘束部材３０１は、側周壁が、例えばナイロンのように、軟質かつ非伸縮性で内部空間に流出入する作動流体を透過させない素材からなり、その両端が容易に変形しないプラスチック等からなるものである。また、運動拘束部材３０１の端部には、内部空間に作動流体を流通させるための流通口１６が設けられている。なお、作動流体は、空気や水のように流動性を有するものであれば、特に限定されるものではない。
【００５９】
前記粒状体１５は、合成樹脂、ゴム、ガラス等の容易に圧壊されない素材からなるものであり、その大きさや形状は特に限定されるものではないが、あまりに大きくすれば運動拘束部材３０１の変形が困難となる一方、作動流体とともに前記流通口１６から流出しない程度の大きさが必要である。なお、前記流通口１６にフィルタ等を配設して前記粒状体１５の流出を防ぐようにすれば、該粒状体１５の大きさをさらに小さくすることも可能である。
【００６０】
また、運動拘束部材３０１に粒状体１５を装填する量は、運動拘束部材３０１の内部空間の体積と全粒状体１５の体積和との比率に基づいて、運動拘束部材３０１が所望の変形をなし得るように設定する。例えば、円柱状の運動拘束部材３０１のように断面積が一定のものであれば、粒状体１５の体積和が運動拘束部材３０１の内部空間の体積の２分の１のとき、運動拘束部材３０１の最大収縮率は２分の１である。
【００６１】
本運動拘束具３００が運動を拘束しない場合は、図１８(a)に示すように、前記運動拘束部材３０１の内部空間が適量の作動流体で満たされて、運動拘束部材３０１の内部圧と外部の大気圧とが均衡した状態にあり、運動拘束具３００は、運動拘束部材３０１の両端に作用する外力に応じて矢印に示すように伸縮、曲げ、捻り運動をする。
【００６２】
一方、伸縮運動を拘束する場合は、図１８(b)に示すように、任意の状態において、ポンプ（図示せず）の吸引力により運動拘束部材３０１の内部空間にある作動流体が流出されて内部圧が負圧となり、運動拘束部材３０１の側周壁及び粒状体１５が、任意の状態の運動拘束部材３０１の形状で密着される。これにより、粒状体１５同士、及び運動拘束部材３０１の側周壁と粒状体１５との密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が運動を引き起こす外力に対する抗力となって、運動を拘束する。また、この状態から、運動拘束部材３０１の内部空間に作動流体を流入すれば、前記摩擦力が消失して、運動の拘束が解除される。
【００６３】
なお、前記摩擦力は、運動拘束部材３０１の内部圧を制御することで任意に変化させることができ、該摩擦力の変化に応じて運動拘束具３００の拘束力も変化するので、該内部圧により拘束力を制御することができる。
また、前記運動拘束具３００の拘束力は、粒状体１５等の密着面の摩擦係数や密着面積に依存したものとなるので、粒状体１５や運動拘束部材３０１の側周壁内面の形状を変更すれば、拘束力の上限を向上させることもできる。
【００６４】
このように、本運動拘束具３００によれば、任意の運動状態において、ポンプにより、運動拘束部材３０１の内部圧を減少させて粒状体１５を密着し、該粒状体１５の密着面に摩擦力を発生させて運動を拘束することができる。
【００６５】
以下、前記第３の実施の形態の変形例に係る運動拘束具３００ａを、図面を用いて具体的に説明する。
本変形例に係る運動拘束具３００ａは、図１９に示すように、運動拘束部材３０１ａが、内部空間が内壁１７により３つの小胞に分割された運動拘束部材３０１ａを有するものであることを除いては、前記第３の実施の形態に係る運動拘束具３００と同様の構成である。なお、図において、前記第３の実施の形態と同一符号は同一のものを示している。
【００６６】
運動拘束部材３０１ａの内壁１７は、軟質で内部空間に流出入する作動流体を透過させる素材にリング状の芯材（図示せず）が設けられたものである。したがって、運動拘束部材３０１ａの端部に設けられた流通口１６からポンプで作動流体を吸引すれば、中央及び他端の各小胞の作動流体も内壁１７を通過して流通口１６から流出され、各小胞の内部圧は均等に減少する。
なお、内壁１７を作動流体を透過させる素材にものとする代わりに、内壁１７に適当な流通口を設けるものとしてもよい。
【００６７】
このように構成された運動拘束具３００ａによれば、内部空間が内壁１７により３つの小胞に分割された運動拘束部材３０１ａが粒状体１５の移動を一定範囲に規制して、該運動拘束部材３０１ａに装填された粒状体１５の偏在を防ぐので、内部圧を減少させた場合に運動拘束部材３０１ａの側周壁同士のみが密着する部分が発生し、該部分が容易に折れ曲がることを防止して、確実に運動を拘束することができる。さらに、運動拘束部材３０１ａが、各小胞毎に、いわば多角関節状に運動を拘束するので、曲げや捻り運動が組み合った複雑な運動を確実に拘束することができる。なお、運動拘束部材３０１ａの内部空間を分割する小胞の数は、該内部空間の体積や拘束すべき運動の複雑さ等を考慮して任意に増減すればよい。
【００６８】
なお、運動拘束部材３０１ａに対する粒状体１５の体積比率を小さくした場合や運動拘束部材３０１ａの容積を大きくした場合には、作動流体を流出入するための時間が長くなり、運動拘束具３００ａの応答が遅くなることがある。これを解決するために、図２０に示すように、前記運動拘束部材３０１ａの各小胞毎に作動流体を流出入するための流通口１６ａ、１６ｂ、１６ｃを設ける。この場合には、各小胞毎に独立して作動流体の流出入を行うので、運動拘束部材３０１ａの内壁１７は作動流体を透過するものを用いる必要はない。これにより、運動拘束具３００ａの応答速度を向上させることができる。
【００６９】
また、前記運動拘束具３００において、運動拘束部材３０１に装填された粒状体１５の均一性を維持する他の手段として、図２１に示すように、各粒状体１５に糸１８を摺動自在に挿通し、さらに一定数の粒状体１５毎に、止具１９を糸１８に固定する。なお、該糸１８の両端は、運動拘束部材３０１の端部に固定しておく。これにより、各粒状体１５の移動は止具１９により糸１８上の一定範囲に規制され、粒状体１５が運動拘束部材３０１の内部空間に均一に維持される。
【００７０】
以下、本発明の第４の実施の形態に係る擬似体験装置４００を、図面に基づいて具体的に説明する。
本擬似体験装置４００は、図２２及び図２３に示すように、前記第１の実施の形態ないし第３の実施の形態で示した各運動拘束手段のいずれか又はその組合せと、関節の角度、運動速度、及び抗力を検知して検知信号を発信するセンサ４０１とを備えた変形自在な関節装着具４０２と、前記検知信号を受けて拘束力を制御する制御システム４０３と、前記運動拘束手段に密着力を与えるための駆動システム４０４とを具備するものである。
【００７１】
関節装着具４０２は、装着すべき関節に応じたサポータ状のものであり、各間接装着具４０２に設けられた運動拘束手段は、手首、肘等の拘束すべき関節の運動を考慮して各運動拘束具が選定されている。例えば、膝であれば運動方向が比較的限られているので、曲げ運動を拘束する運動拘束具２００のみで所望の運動拘束を実現できるが、手首や足首が複雑な運動をするため、すべての運動を拘束する運動拘束具３００や複数の運動拘束具の組合せが必要となる。
【００７２】
また、本擬似体験装置４００は、肘、膝等の複数の関節運動を拘束するので、前記各運動拘束手段を密着させる密着手段を統一したものとしている。詳細には、駆動システム４０４は、圧縮空気タンク、バルブ等を備えてなり、制御システム４０３に従って、圧縮空気を空気圧配管４０を通じて前記各運動拘束手段の流出入するものである。
各関節装着具４０２に設けられた各センサ４０１は、関節の角度、運動速度、又は抗力を各々検知して検知信号を発信する周知かつ任意のセンサの組合せであり、各検知信号は信号線４１を通じて制御システム４０３に入力される。
【００７３】
このように構成された擬似体験装置４００によれば、肘、膝等に装着された各関節装着具４０２の各センサ４０１により、関節の運動状態を検知して、検知信号を制御システム４０３に出力し、制御システム４０３は、各検知信号に基づいて所望の拘束力が発生するように駆動システム４０４を動作させる。例えば、運動拘束手段による抗力は摩擦力に基づくものだから、運動速度には比例しないので、速度センサ及び力センサの出力信号に基づいて、速度に比例して拘束力を増加させて、粘性を体感させるように駆動システム４０４を動作させる。これにより、各関節装着具４０３の運動拘束手段が装着者の各関節運動を拘束して、装着者に仮想空間での力を擬似体験させることができる。
【００７４】
本擬似体験装置４００は、極めて広範囲に利用されるものであり、例えば、地上において水の流体抵抗を拘束力により実現して、様々な環境での水泳体感をさせるようなスポーツトレーニングへの利用や、視覚表示装置と連携させてバーチャルリアリティ・ゲームへの利用ができる。
さらに、センサ４０１が一定の閾値以上の外力又は速度を検知した場合に、関節装着具４０２により関節運動を完全に拘束するような制御を行えば、スポーツ競技者、自動二輪運転者用等のプロテクタとして利用することもできる。
【００７５】
なお、本発明に係る擬似体験装置は、前記擬似体験装置４００のように、人体の各関節に関節装着具４０３を装着させるものに限定されず、様々な形態を採用することができる。例えば、特定の関節の運動のみを拘束するような構成としてもよく、その場合には、駆動システム及び制御システムをさらに小型化して、関節装着具と一体化してもよい。
【００７６】
また、図２４に示すように、伸縮運動を拘束する運動拘束具１００を、センサ４０１、制御システム４０３、及び駆動システム４０３が内蔵された擬似体験装置本体４００ａに複数設けて、人体の数箇所と連結することにより運動を拘束するような対向型のものを実現することもできる。
また、前記擬似体験装置４００に送受信システムを設けて、制御システム４０３に外部から指令を与えて運動の拘束を変化させることもできる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明（請求項１）に係る運動拘束具によれば、任意の伸縮状態において、伸縮部と非伸縮部とを直列的に配列した伸縮拘束部材が対向して架設されてなる運動拘束手段を密着手段により密着させて、非伸縮部の密着面に外力に対する抗力を発生させるので、伸縮運動を可変的に拘束する柔軟かつ軽量の運動拘束具を実現することができる。
【００７８】
また、本発明（請求項２）によれば、前記伸縮拘束部材の非伸縮部を、ラック構造として、任意の伸縮状態において、前記密着手段により、対向する非伸縮部のラック構造を噛合するので、伸縮運動の拘束を確実かつ頑強に行うことができる。
【００７９】
また、本発明（請求項３）によれば、外力により曲げ変形し、かつ、非伸縮の曲げ拘束部材を複数列設して、任意の曲げ状態において、密着手段により、該曲げ拘束部材を密着させて、密着面に外力に対する抗力を発生させるので、曲げ運動を可変的に拘束する柔軟かつ軽量の運動拘束具を実現することができる。
【００８０】
また、本発明（請求項４）によれば、前記運動拘束手段は、薄膜状の曲げ拘束部材が複数積層されたものとしたので、１方向の曲げ運動を可変的に拘束することができる。
【００８１】
また、本発明（請求項５）によれば、前記曲げ拘束部材の密着面に凹凸が夫々形成されたものとしたので、より小さい法線力で大きな摩擦力を生じさせて、伸縮運動の拘束力の上限を向上させることができる。
【００８２】
また、本発明（請求項６）によれば、前記運動拘束手段は、繊維状の曲げ拘束部材が複数集束されたものとしたので、２方向の曲げ運動を可変的に拘束することができる。
【００８３】
また、本発明（請求項７）によれば、内部空間に複数の粒状体が装填され、外力により変形自在な中空柱体状の運動拘束手段を、任意の収縮、曲げ、捻り状態において、内部空間を負圧とすることにより粒状体を密着させ、該粒状体の密着面に外力に対する抗力を発生させるので、収縮、曲げ、捻り運動を可変的に拘束する軽量かつ柔軟な運動拘束具を実現することができる。
【００８４】
また、本発明（請求項８）によれば、前記運動拘束手段は、内部空間に流出入する作動流体が流出入可能な内壁により内部空間が複数の小胞に分割されたものとしたので、粒状体の移動を一定範囲に規制して粒状体の偏在を防ぐことにより、運動拘束部材の側周壁同士のみが密着して容易に折れ曲がることを防止し、確実に運動を拘束することができる。さらに各小胞毎に、いわば多角関節状に運動を拘束するので、曲げや捻り運動が組み合った複雑な運動を確実に拘束することができる。
【００８５】
また、本発明（請求項９）によれば、前記内壁にリング状の芯材を設けたので、運動拘束部材の側周壁同士のみが密着して容易に折れ曲がることを防止し、確実に運動を拘束することができる。
【００８６】
また、本発明（請求項１０）によれば、少なくともいずれか一つの前記運動拘束具と、関節の角度、運動速度、又は抗力の少なくともいずれか一つを検知して検知信号を発信するセンサとを備えてなる弾性変形自在な関節装着具と、前記検知信号を受けて、前記運動拘束具に生ずる抗力を制御する制御手段とを具備するものとしたので、人体との親和性が高く、可変的に運動を拘束する現実感の高い擬似体験装置を実現することができる。