(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の大腿部に沿って配置される大腿部支持部材と、
人体の脛部に沿って配置される脛部支持部材と、
人体の足に沿って配置される足支持部材と、
人体の膝近辺に配置され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材とに接続され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材との互いの曲げモーメントを発生する膝モーメント発生部と、
人体の踝近辺に配置され、上記脛部支持部材と足支持部材とに接続され、上記脛部支持部材と足支持部材との互いの曲げモーメントを発生する踝モーメント発生部と、
上記膝モーメント発生部及び踝モーメント発生部により、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材に発生した力を人体の下肢の複数箇所に伝達する力伝達手段と、
上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材と人体の下肢との間に発生する力を検出する力センサと、
上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材の長手方向と、重力を含む人体にかかる加速度の方向の成す角度を検出する角度センサと、
上記力センサ及び角度センサからの検出信号に基づいて、人体の動作に対し、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材支持部材からの支援力がないときに人体が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の比率を掛けた支援力を算出し、算出した支援力を発生するように、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する動力源兼制御部と、
を備え、人体の動作を支援する力を発生することを特徴とする動作支援装置。
【請求項２】
請求項１記載の動作支援装置において、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、それぞれ、長さ方向の寸法を変更する寸法変更手段を有することを特徴とする動作支援装置。
【請求項３】
請求項１記載の動作支援装置において、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、それぞれ、長さ方向の寸法を計測する長さ計測手段を有し、この長さ計測手段により計測された寸法に基づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給することを特徴とする動作支援装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３のうちのいずれか一項記載の動作支援装置において、大腿部、脛部、足の少なくとも一つの重量が設定され、その設定された重量に基づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給することを特徴とする動作支援装置。
【請求項５】
請求項１記載の動作支援装置において、上記力伝達手段は、上記大腿部支持部材を、人体の太腿上下部分に固定する第１の固定部材と、上記脛部支持部材を人体の脛上下部分に固定する第２の固定部材と、上記足支持部材を人体の足に固定する第３の固定部材とを有することを特徴とする動作支援装置。
【請求項６】
請求項１、２、３、４又は５のうちのいずれか一項記載の動作支援装置において、上記動力源兼制御部は、大気圧より高い圧力の気体を発生する動力源を有し、この動力源から発生される圧力を上記膝モーメント発生部、上記踝モーメント発生部に供給することにより、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給することを特徴とする動作支援装置。
【請求項７】
請求項６記載の動作支援装置において、上記動力源は、圧縮ガスまたは圧縮し液化したガスを貯蔵し、上記動力源兼制御部は、上記動力源からのガスを加熱する加熱手段を、さらに有することを特徴とする動作支援装置。
【請求項８】
請求項７記載の動作支援装置において、上記圧縮ガスあるいは液化ガスが膨張あるいは気化、膨張する際の吸熱作用を用いて人体を冷房する冷房手段を、さらに備えることを特徴とする動作支援装置。
【請求項９】
請求項７記載の動作支援装置において、上記圧縮したガスあるいは液化したガスを加熱する手段による熱を用いて人体を暖房する暖房手段を、さらに備えることを特徴とする動作支援装置。
【請求項１０】
人体の腰部に装着される腰支持ベルトと、
上記腰支持ベルトの両側面側に、それぞれ、配置される２つの腰部モーメント発生部と、
膝部モーメント発生部と、
腰部モーメント発生部と膝部モーメント発生部とを接続する外側大腿支持ビームと、
上記外側大腿支持ビームを人体の大腿に固定するための大腿上部下部支持ベルトと、
上記大腿上部下部支持ベルトと膝の内側に配置される膝部モーメント発生部とを接続する内側大腿支持ビームと、
踝部モーメント発生部と、
上記膝部モーメント発生部と踝部モーメント発生部とを接続する脛支持ビームと、
脛支持ビームを人体の脛部に固定するための脛上装着ベルト及び足首装着ベルトと、
足支持部と、
上記足支持部と踝部モーメント発生部とを接続する接続版と、
足支持部を人体の足先に固定するための足先装着ベルトと、
腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部及び踝部モーメント発生部に発生する加速度、回転角度を検出する第１のセンサと、
足支持部に加わる荷重を検出する第２のセンサと、
上記第１及び第２のセンサからの検出信号に基づいて、腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部、踝部モーメント発生部の各部に一定の軽減率で人体の動作を支援するために、それぞれ発生すべき、動作支援力を演算し、その動作支援のためのエネルギーを、上記各モーメント発生部に供給するエネルギー源兼制御ユニットと、
を備えることを特徴とする動作支援装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として人体の四肢の動作を支援する動作支援装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間が坂道や階段等を歩行する場合、通常の平坦な道等を歩行する場合より筋力を要し、高齢化や疾病により筋力が弱っている人の場合、自力での歩行が困難なときがある。
【０００３】
また、自重以外に荷物や介護すべき他の人間の体を抱えている場合など、坂道等の歩行は特に困難である。
【０００４】
また、高齢や疾病でない場合でも、一人では不可能な重量物を運ぶことができたり、力のいる作業を行うことができたり、あるいは通常より速く歩くことができれば、日常生活や仕事上、便利である。
【０００５】
さらに、そうした動作支援があれば、山道や屋内など通常の車両等では行けない場所に、人がより容易に行くことが出来、災害救助をより速やかに行ったり、若しくは、より快適にレジャー等を楽しむことが出来る。
【０００６】
動作支援装置の従来技術としては、人間の四肢のうち、主として腕の動作を支援する機械装置として、例えば特開２００１−１４５６３８号公報や特開平９−２８５９８４号公報等に記載されているように、人体の発生している力を検出して、その力に比例した力を対象物に加えるものがある。
【０００７】
また、特開平１１−２７７４７３号公報に記載されている技術のように、高齢化や疾病等による腕の震えを補い、きれいな文字等を書くための支援装置も提案されている。
【０００８】
また、下肢の運動の支援に関しては、特開平７−１１２０３５号公報に記載されているように、人体に装着され、外骨格を形成するビーム状構造物により人体の体重と、外骨格に接続された体重以外の荷重の少なくとも一部を支え、歩行を支援する技術が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術にあっては、人がかがんで物を持ち上げたり、階段を昇ったりしたときの姿勢の違いにより人体各部の筋肉が発生する力に差が生じることは考慮されていない。
【００１０】
また、手で荷物を持ったり物を押したり引いたりしているときに付加される荷重に応じて、支援する力を制御し、人体各部の筋肉が負担する力を、所定の割合で軽減する方法についても考慮されていない。
【００１１】
すなわち、従来技術においては、人体が動作支援装置の荷重計測装置に対して加える力に対して、ある原理により支援装置の加速度を制御するとしているが、例えば、人が足を前に出そうとしているときを考えると、そうした力が計測されるためには、動作支援装置の荷重計測装置に対して足により荷重をかけねばならず、一時的にではあるが、その人にとっては、足を前に出そうとすることを阻害する方向に力が加えられることとなる。
【００１２】
これは脚の動きにとっては動作を妨げるものである。
【００１３】
仮に足を前に出そうとして支援装置の荷重計測装置に前向きの力をかけたとき急速に支援装置の足の部分が前に動いて人体の足を後ろから押したとすれば動作の支援にはなる。しかし、そのときには支援装置の荷重計測装置には、押した足により後ろ向きの荷重がかかる可能性があり、足を前に出すために支援する力を減少するように制御されることとなり、制御をうまく行わないと動作が不安定になる可能性がある。
【００１４】
また、このような制御方法では、人体が自分で発生している各部の力と、支援装置の支援によって発生している各部の力の相対関係が保証されない。つまり、人体が発生している各部の力のバランスが考慮されておらず、人にとって不自然な支援力となる可能性がある。
【００１５】
動作支援装置により、人体が自然に動作を行うためには、例えば動作支援装置がない場合に人体が負担すべき荷重に対し、人体の各部が発生する力（筋力）が、その２分の１とか、８０％とかいった概略一定の割合で人体が発生する力が減少され、所定の動作を行えることが望ましい。
【００１６】
本発明の目的は、手や肩等の上半身で保持している荷物や、押したり引いたりしている物等によって発生する力を含めた、人体に対する全荷重を概略所定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）人体の動作を支援する力を発生する動作支援装置において、人体の大腿部に沿って配置される大腿部支持部材と、人体の脛部に沿って配置される脛部支持部材と、人体の足に沿って配置される足支持部材と、人体の膝近辺に配置され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材とに接続され、上記大腿部支持部材と脛部支持部材との互いの曲げモーメントを発生する膝モーメント発生部と、人体の踝近辺に配置され、上記脛部支持部材と足支持部材とに接続され、上記脛部支持部材と足支持部材との互いの曲げモーメントを発生する踝モーメント発生部と、上記膝モーメント発生部及び踝モーメント発生部により、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材に発生した力を人体の下肢の複数箇所に伝達する力伝達手段と、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材と人体の下肢との間に発生する力を検出する力センサと、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材の長手方向と、重力を含む人体にかかる加速度の方向の成す角度を検出する角度センサと、上記力センサ及び角度センサからの検出信号に基づいて、人体の動作に対し、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材支持部材からの支援力がないときに人体が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の比率を掛けた支援力を算出し、算出した支援力を発生するように、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する動力源兼制御部とを備える。
【００１８】
（２）好ましくは、上記（１）において、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、それぞれ、長さ方向の寸法を変更する寸法変更手段を有することを特徴とする動作支援装置。
【００１９】
（３）また、好ましくは、上記（１）において、上記大腿部支持部材、脛部支持部材及び足支持部材は、それぞれ、長さ方向の寸法を計測する長さ計測手段を有し、この長さ計測手段により計測された寸法に基づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する。
【００２０】
（４）また、好ましくは、上記（１）、（２）又は（３）において、大腿部、脛部、足の少なくとも一つの重量が設定され、その設定された重量に基づいて、上記動力源兼制御部は、上記算出した支援力を発生するように上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する。
【００２１】
（５）また、好ましくは、上記（１）において、上記力伝達手段は、上記大腿部支持部材を、人体の太腿上下部分に固定する第１の固定部材と、上記脛部支持部材を人体の脛上下部分に固定する第２の固定部材と、上記足支持部材を人体の足に固定する第３の固定部材とを有する。
【００２２】
（６）また、好ましくは、上記（１）、（２）、（３）、（４）又は（５）において、上記動力源兼制御部は、大気圧より高い圧力の気体を発生する動力源を有し、この動力源から発生される圧力を上記膝モーメント発生部、上記踝モーメント発生部に供給することにより、上記膝モーメント発生部及び上記踝モーメント発生部に動力を供給する。
【００２３】
（７）また、好ましくは、上記（６）において、上記動力源は、圧縮ガスまたは圧縮し液化したガスを貯蔵し、上記動力源兼制御部は、上記動力源からのガスを加熱する加熱手段を、さらに有する。
【００２４】
（８）また、好ましくは、上記（７）において、上記圧縮ガスあるいは液化ガスが膨張あるいは気化、膨張する際の吸熱作用を用いて人体を冷房する冷房手段を、さらに備える。
【００２５】
（９）また、好ましくは、上記（７）において、上記圧縮したガスあるいは液化したガスを加熱する手段による熱を用いて人体を暖房する暖房手段を、さらに備える。
【００２６】
（１０）人体の動作を支援する力を発生する動作支援装置において、人体の腰部に装着される腰支持ベルトと、上記腰支持ベルトの両側面側に、それぞれ、配置される２つの腰部モーメント発生部と、膝部モーメント発生部と、腰部モーメント発生部と膝部モーメント発生部とを接続する外側大腿支持ビームと、上記外側大腿支持ビームを人体の大腿に固定するための大腿上部下部支持ベルトと、上記大腿上部下部支持ベルトと膝の内側に配置される膝部モーメント発生部とを接続する内側大腿支持ビームと、踝部モーメント発生部と、上記膝部モーメント発生部と踝部モーメント発生部とを接続する脛支持ビームと、脛支持ビームを人体の脛部に固定するための脛上装着ベルト及び足首装着ベルトと、足支持部と、上記足支持部と踝部モーメント発生部とを接続する接続版と、足支持部を人体の足先に固定するための足先装着ベルトと、腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部及び踝部モーメント発生部に発生する加速度、回転角度を検出する第１のセンサと、足支持部に加わる荷重を検出する第２のセンサと、上記第１及び第２のセンサからの検出信号に基づいて、腰部モーメント発生部、膝部モーメント発生部、踝部モーメント発生部の各部に一定の軽減率で人体の動作を支援するために、それぞれ発生すべき、動作支援力を演算し、その動作支援のためのエネルギーを、上記各モーメント発生部に供給するエネルギー源兼制御ユニットとを備える。
【００２７】
動力源兼制御部（エネルギー源兼制御ユニット）は、モーメント発生部からの支援力が人体に加えられていないときに人体各部が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の軽減率を掛けた支援力をモーメント発生部に発生させる。
【００２８】
したがって、人体に対する全荷重を概略所定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
まず、本発明の基本概念について説明する。
【００３０】
１．基本概念
図１は、本発明による動作支援装置の概略外観図である。
人体は運動という観点では関節によって接続されたビーム（骨）の集合体であり、ビームとビームとのなす角およびビームのねじれ角を筋肉によって変えているものと見ることができる。
【００３１】
本発明における動作支援装置は、四肢に沿ったビームを人体の関節の位置で、ビームどおしで互いに曲げられるように接続し、駆動機構によってビームとビームとの間に力のモーメントを発生させる。各ビームは人体に装着され、力のモーメントによって発生した力が四肢に伝わるものとする。
【００３２】
人体と動作支援装置との間の力は計測されているものとし、それによって各モーメントを制御する。
【００３３】
人体の四肢の自由度は非常に多く、その全てについてビームの曲げ方向を対応させ、かつ動力によって支援すべく構成しようとすると、動作支援装置が非常に複雑なものになり、重量も過大なものになる可能性がある。
【００３４】
そこで、当初は、特に筋力に負担がかかる動作にかかわる自由度についてのみ支援をすることにし、その後の技術の進展に従って多数の自由度に対応する事にする。
【００３５】
人体の首より上と手足の指とを除く、身体の主要な自由度は、腰を基準に考えると表１の通りである。
【００３６】
【表１】
0003917432.tif 000002
【００３７】
表１に示した自由度のうち、特に筋力に負担がかかると思われるのは各部位の１番目に挙げている自由度である。
【００３８】
したがって、まず、これら特に筋力に負担がかかる自由度に係わる動作を、装置の動力によって支援し、他の自由度は、支援装置の自由度としては許容するが、動力による支援はしないこととする。
【００３９】
２．モデル化及び基礎式の導出
図２は、人体の数学モデルを示す図である。図２において、下半身をビーム２ａ、３ａ、４ａで表す。
【００４０】
そして、ビーム２ａは大腿、ビーム３ａは脛、ビーム４ａはかかとからつま先の部分である足を示す。各ビームの加速度方向からの角度を図２のように、θ２θ３、θ４と定義する。
【００４１】
なお、ここで加速度といっているのは重力加速度と、その他の加速度による慣性力を合わせた力の方向である。例えば、人が乗り物に進行方向に対して前を向いて乗っていて、その乗り物が加速している時には人体には後向きの慣性力がかかるが、これと重力加速度を合成した方向をここでは加速度方向と定義する。
【００４２】
上半身の重量、荷物や物体との相互作用による上半身から下半身にかかる任意の力は、加速度方向力Ｇ１と、水平方向の力Ｆ１と、曲げモーメントｍ１とで表すことができる。
【００４３】
なお、本発明による支援装置の上半身部分や、支援装置を腰に装着する部分からも人体に力がかかっている可能性があるが、力Ｇ１、力Ｆ１、モーメントｍ１はそれらを差し引いた、脚部以下が負担しなくてはならない力のみをあらわす。
【００４４】
一方、ビーム２ａ、３ａの重量は、それぞれの長さ方向の中間の位置に集中しているものと仮定する。また、足にかかる力は重量を支えている時は足の裏に分布を持ってかかるが、それを積分した併進力とモーメントが等価な力Ｒ１とＲ２で代表させる。
【００４５】
一方、足が持ちあがっている時は、逆に足には靴や支援装置の足を支える部分の重量がかかるが、これらも力Ｒ１とＲ２とを負にする事で表す事ができる。
【００４６】
各ビームには支援装置から図３に示すような、ビームに直交する力がかかっているものとする。実際には支援装置からの力は下肢の端から少し離れた位置にかかるはずであるが、ここでは人体が発生している力を外部から推定する原理の検討が目的であるので、簡単化のため支援装置からの力はビームの端にかかっているものとして扱う。
【００４７】
これによる方程式の数や未知数の数に変化はなく、力がかかっている位置を正確に取り扱った場合でも以下と同様の式の導出は可能である。また、ビーム２ａの端部には腰を支持する力を想定してビーム方向の力Ｈ１もかかっているものとする。ここで、体内にかかっている力を図３に示すように、小文字で表す。
【００４８】
各ビームの力のバランスを考えると次式（１）〜（１５）が成り立つ。
【００４９】
m1+m2 = G1L2sinθ2+F1L2cosθ2+(1/2)G2L2sinθ2-E1L2   ---（１）
m1+m2 = r2L2sinθ2+f2L2cosθ2-(1/2)G2L2sinθ2-E2L2   ---（２）
r2 = G1+G2- E1sinθ2+ E2sinθ2-H1cosθ2   ---(３）
F1- E1cosθ2+ H1sinθ2 = f2- E2cosθ2   --- (４）
m２- m3 = r2L3sinθ3-f2L3cosθ3+(1/2)G3L3sinθ3+E3L3   ---（５）
m２- m3 = r2L3sinθ3-f3L3cosθ3+(1/2)G3L3sinθ3+E4L3   ---（６）
r2 = r3-G3- E3sinθ3+ E4sinθ3   ---（７）
f2- E3cosθ3 = f3- E4cosθ3   ---（８）
-m3 = R1L4-(1/2)G4L4cosθ4   ---（９）
(R1 + R2)cosθ4+ F2sinθ4 = r3+ G4   ---（１０）
f 3 = -(R1 + R2)sinθ4+ F2cosθ4   ---（１１）
式（１）と（２）両辺の差を取って、
(G1-r2)L2sinθ2+(F1-f2)L2cosθ2+G2L2sinθ2-(E1-E2)L2 = 0   ---（１２）
式（３）より、
G1- r2 = -G2+ (E1- E2)sinθ2+ H1cosθ2   ---（１３）
式（４）より、
F1- f2 = (E1- E2)cosθ2- H1sinθ2   ---（１４）
式（１３）、（１４）を式（１２）に代入すると、
{-G2+(E1-E2)sinθ2}L2sinθ2+(E1-E2)L2cos2θ2+ G2L2sinθ2-(E1-E2)L2 = 0
---（１５）
となり、自動的に成立する。
【００５０】
すなわち、上記式（１）〜（４）のうちの一つの式は独立ではない。同様に、上記式（５）〜（８）のうちの一つの式も独立ではない。
【００５１】
したがって、独立な方程式の数は、式（９）〜（１５）の７個と、（１）〜（４）のうちの１個と、（５）〜（８）のうちの１個との、合計９個である。
【００５２】
変数は、下肢に外部からかかっている力であるＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｆ１、Ｆ２、Ｒ１、Ｒ２、ｍ１の９個、支援装置からの力であるＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｈ１の５個、下肢が自分で発生させている力およびモーメントであるｍ２、ｍ３、ｆ２、ｆ３、ｒ２、ｒ３の６個の合計２０個である。
【００５３】
このうち、Ｇ１、Ｆ１、ｍ１の三個は上半身の姿勢や持っている荷物の重量、腕で発生させている力などによって変化する。
【００５４】
また、例えば、歩いている時には交互に片足を持ち上げることになり、地面についている足には上半身の重量や加速度が、全てかかる一方で、他方の足には上半身の力はかからない。
【００５５】
持ち上げているほうの足のモーメントｍ１、ｍ２、ｍ３は自分の重量や加速度による力を支えるのみとなる。
【００５６】
このように、これらの変数は、たえず変化し、予測や、直接に測定することはできない。
【００５７】
また、ｍ２、ｍ３、ｆ２、ｆ３、ｒ２、ｒ３は体内で発生している力であり通常の方法では測定できない。
【００５８】
一方、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４はあまり変化しない量であり、予め近似値は分かっている。また、Ｆ２、Ｒ１、Ｒ２の３個は何らかの計測方法により測定が可能と考えられる。
【００５９】
これに対して、動作支援装置からの力は測定可能である。
さらに、各ビームの鉛直方向（あるいは重力と他の加速度を合わせた加速度方向）からの角度θ２、θ３、θ４は支援装置に計測装置をつけることにより測定可能である。
【００６０】
したがって、これらの測定値および予め分かっている変数と、上記の９個の独立な方程式を用いて未知の９個の変数を求める事ができる。
以下、その変数を求める方法ついて述べる。
【００６１】
３．解法
（Ａ）足が地面に着いている場合
［１］現象のシミュレーション（Ｆ１、Ｇ１、ｍ１が既知の場合）
上記式（３）によりｒ２が求まる。
【００６２】
そして、上記式（４）により次式（１６）を得る。
f2 = F1- (E1- E2）cosθ2+ H1sinθ2   ---（１６）
次に、上記式（７）に式（３）を代入すると、次式（１７）のようにｒ３を計算することができる。
【００６３】
r3 = G1+G2- (E1 -E2）sinθ2-H1cosθ2 +G3+(E3 -E4）sinθ3  ---（１７）
そして、上記式（８）に式（１６）を代入して次式（１８）を得る。
【００６４】
f3 = F1- (E1- E2）cosθ2+ H1sinθ2 - (E3- E4）cosθ3  ---（１８）
式（１０）にｓｉｎθ４を掛け、上記式（１１）にｃｏｓθ４を掛けて両辺の引き算を行うと次式（１９）のようになる。
【００６５】
F2 = (r3 + G4)sinθ4+ f3cosθ4   ---（１９）
また、上記式（１）より、ｍ２は次式（２０）で与えられる。
【００６６】
m2 = G1L2sinθ2+F1L2cosθ2+(1/2)G2L2sinθ2-E1L2 -m1   ---（２０）
また、ｍ３は式（５）より次式（２１）のようになる。
【００６７】
m3 = -r2L3sinθ3+f2L3cosθ3-(1/2)G3L3sinθ3-E3L3 +m２   ---（２１）
また、上記式（９）より次式（２２）を得ることができる。
【００６８】
R1 = -(m3/L4)+(1/2)G4cosθ4   ---（２２）
また、上記式（１０）にｃｏｓθ４を掛け、式（１１）にｓｉｎθ４を掛けて両辺の加算を行い、式（２２）を代入すると次式（２３）のようになる。
【００６９】
R2 = r3 cosθ4 -f3sinθ4 +(m3/L4)+(1/2)G4cosθ4   ---（２３）
［２］測定値よりＧ１、Ｆ１、ｍ１を求める方法
まず、上記式（１１）よりｆ３を求める。
【００７０】
そして、上記式（１０）よりｒ３を求める次式（２４）を得る。
【００７１】
r3 = (R1 + R2)cosθ4 + F2sinθ4 -G4   ---（２４）
次に、式（９）よりｍ３を求める次式（２５）を得る。
【００７２】
m3 = -R1L4+(1/2)G4L4cosθ4   ---（２５）
式（８）に式（１１）を代入すると次式（２６）のようになる。
【００７３】
f2 = -(R1 + R2)sinθ4+ F2cosθ4 +(E3- E4)cosθ3    ---（２６）
また、式（７）に式（１０）を代入すると次式（２７）を得る。
【００７４】
r2 = (R1 + R2)cosθ4+ F2sinθ4 -G3-(E3- E4)sinθ3-G4   ---（２７）
上記式（５）に式（９）、（２６）、（２７）を代入すると次式（２８）のようになる。
【００７５】
m２ = -R1L4+(1/2)G4L4cosθ4+(R1 + R2) L3sin(θ4+θ3)-F2L3cos(θ4+θ3)+ E4L3-(1/2)G3L3sinθ3- G4L3sinθ3   ---（２８）
また、上記式（４）に式（２６）を代入して次式（２９）を得る。
【００７６】
F1 = -(R1 + R2)sinθ4+ F2cosθ4 +(E3- E4)cosθ3 +(E1- E2)cosθ2- H1sinθ2    ---（２９）
そして、式（３）に式（２７）を代入して次式（３０）を得る。
【００７７】
r2 = (R1 + R2)cosθ4+ F2sinθ4 -G3-(E3- E4)sinθ3-G4   ---（３０）
また、式（１）より次式（３１）を得る。
【００７８】
m1 = -m2+G1L2sinθ2+F1L2cosθ2+(1/2)G2L2sinθ2-E1L2   ---（３１）
計測されたＲ１、Ｒ２、Ｆ２に対する上半身から下肢にかかる力Ｆ１、Ｇ１とモーメントｍ１は上記式（２８）〜（３１）により計算できる。
【００７９】
［３］必要な外力の計算
実際に制御できるのは支援装置の膝部関節と足首部関節のモーメントのみであるので制御の自由度は２である。足の裏に重量がかかっている時に負担がかかるのも人体の膝と足首であるので、ここでは、まず膝の発生するモーメントｍ＊２、足首のモーメントｍ３をそれぞれ所定の値ｍ＊２、ｍ＊３にする条件を考える。
【００８０】
膝と足首の力を緩和するにはＥ２とＥ４とは影響がないので制御すべき変数はＥ１とＥ３のみとなる。
【００８１】
上記式（１）より次式（３２）を得る。
【００８２】
E*1= (G1L2sinθ2+F1L2cosθ2+(1/2)G2L2sinθ2-m1+m*2)/L2   ---（３２）
また、上記式（３）と（４）とを上記式（５）に代入すると次式（３３）のようになる。
【００８３】
E*3 =-{G1+G2+(1/2)G3} sinθ3-(E1- E2)cos(θ2+θ3)+H1sin(θ2+θ3)+F1cosθ3+ {(m*2-m*3)/L3}   ---（３３）
（Ｂ）足が地面から浮いている時
支援装置の足の乗る部分と地面との間の力を計測することにより、これがゼロであれば足が地面から離れている事が分かる。
【００８４】
この場合、Ｇ１およびｍ１は上半身の条件によって決まるのではなく下肢の状態や動作によってきまる。また、Ｒ１は計測量であるとともに足首にかかるモーメントｍ３を低減するための制御対象量になる。さらに、モーメントｍ１も外力Ｅ２により低減すべき制御目標となる。
【００８５】
［４］現象のシミュレーション（外力が既知の場合）
ｆ３、ｒ３、ｍ３を、それぞれ、上記式（１１）、（２４）、（２５）により求める。
【００８６】
また、ｆ２、ｒ２、ｍ２を、それぞれ上記式（２６）、（２７）、（２８）により求める。
【００８７】
また、Ｆ１、Ｇ１、ｍ１を、それぞれ上記式（２９）、（３０）、（３１）により求める。
【００８８】
［５］必要な外力を求める方法
上記式（９）より次式（３４）を得る。
【００８９】
R*1 =(1/2)G4cosθ4-(m*3/L4)   ---（３４）
また、上記式（６）に上記式（１１）と（２４）とを代入すると次式（３５）のようになる。
【００９０】
E*4 =-{(m*3-m*2)/L3}-(R1+R2)sin(θ3+θ4)+F2cos(θ3+θ4)+{G4+(1/2)G3} sinθ3    ---（３５）
また、上記式（７）、（８）に上記式（１１）、（２４）を代入すると次式（３６）、（３７）を得る。
【００９１】
f2 =-(R1+R2)sinθ4+F2cosθ4+(E3-E4) sinθ3   ---（３６）
r2 =(R1+R2)cosθ4+F2sinθ4-G4-G3-(E3-E4) sinθ3   ---（３７）
また、上記式（２）に上記式（３６）、（３７）を代入すると次式（３８）のようになる。
【００９２】
E*2 =(R1+R2)sin(θ2-θ4) +F2cos(θ2-θ4)+(E3- E4)cos(θ2+θ3)-{(m*1+m*2)/L2}-{G4+G3+(1/2)G2} sinθ2   ---（３８）
４．試算結果
以下、上記式（１）〜（３８）を使って試算を行い、本発明による動作支援装置の特性を検討する。試算の条件を表２に示す。
【００９３】
【表２】
0003917432.tif 000003
【００９４】
上記表２のうち、Ｌ１は単にモーメントｍ１を計算するためだけの量であり、実際の上半身の長さ等を代表するものではない。
【００９５】
以下の例では支援装置によって人体が自分で発生する力を必要な値の半分にする場合について述べるが、必要な値の１０分の１にする場合でも、８０％にする場合でもｍ＊１、ｍ＊２、ｍ＊３をその比率で計算しさえすれば、後述する方法により同様に求める事ができる。
【００９６】
（１）外力がない場合
上半身の重量（Ｇ１）が５０ｋｇでその重量が片足にかかっている場合であって、外力のない状態での試算例を表３に示し、図４にその時の身体全体の姿勢を線図で示している。
【００９７】
【表３】
0003917432.tif 000004
【００９８】
図４に示すように、膝は、それ程曲がっておらず、上体は少し屈み気味となっている。この図４に示す状態は、かがんで行く途中、あるいはかがんだ状態から立ち上がろうとしている状態である。
【００９９】
なお、表３の「実際」の欄には、上述した方法によって求めた各部の力およびモーメントが示してある。
【０１００】
足の裏の前側（Ｒ１）には３６ｋｇ、後側（Ｒ２）には２５ｋｇの力がかかっている。この時の足の上端、膝、足首が支持しているモーメントの値をそれぞれｍ１、ｍ２、ｍ３の欄に示す。
【０１０１】
一方、表３中の「観測」の欄には計測値Ｅ１〜Ｆ２から上記（Ａ）の［２］の方法で求めたＦ１、Ｇ１、ｍ１が示してある。言うまでもなく、これらの値は「実際」の値と一致している。
【０１０２】
また、「外力なし」の欄には「観測」で得られたＦ１、Ｇ１、ｍ１がかかっており、外力Ｅ１〜Ｈ１がない時の膝および足首が発生すべきモーメントが示してある。
【０１０３】
そして、「制御」の欄には膝と足首のモーメントを「外力なし」の時の半分にするために必要な外力Ｅ１〜Ｈ１を上述した方法で求めた結果が示してある。
【０１０４】
もちろん両足に均等に力がかかっているときは両足ともこれらの半分の力、あるいはモーメントを生じることになる。
【０１０５】
（２）外力を加えた場合
次に、「制御」で求められた外力を加えた時の結果を表４に示す。
【０１０６】
【表４】
0003917432.tif 000005
【０１０７】
表４に示すように、膝と足首のモーメントｍ２、ｍ３は確かに元の半分になっている。また、足の裏にかかる力Ｒ１、Ｒ２、Ｆ２は外力の影響で変化している。
【０１０８】
特に、Ｒ１が減少し、Ｒ２が大きく増大しており、かかとに力がかかっている事が分かる。腰を斜め上に持ち上げる力Ｅ１は正の値、膝を斜め下に押す力Ｅ３はマイナスとなっており、腰と膝をそれぞれ斜め上に持ち上げようとする力が働いている。
【０１０９】
この結果、膝と足首にかかるモーメントが減ったものである。
【０１１０】
しかし、それらの計測値から計算した「観測」欄のＦ１、Ｇ１、ｍ１の値は元のままの正しい値になっており、それらを元に計算した「外力なし」「制御」の計算値も変っていない。
【０１１１】
これにより、外力が加わっている状態でも、計測値から人体が発生している力を推測して必要な外力を計算できる事が分かる。
【０１１２】
（３）誤差の影響
表４ではＥ２、Ｅ４、Ｈ１はゼロとなっているが、実際には外力Ｅ１、Ｅ３を発生する際、Ｅ２、Ｅ４、Ｈ１にも何らかの力が発生する。ただし、それらの力は支援装置と人体との相互関係や人体の状態によって異なる。また、各測定値や設定値には誤差が含まれるはずである。
【０１１３】
そこで、それらを考慮した場合の例を表５に示す。
【０１１４】
【表５】
0003917432.tif 000006
【０１１５】
表５においては、Ｅ２、Ｅ４、Ｈ１のそれぞれに１ｋｇｆ発生したと想定している。Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の設定値については、正しい値はそれぞれ５ｋｇｆ、５ｋｇｆ、１ｋｇｆであるのに対し設定値を７ｋｇｆ、４ｋｇｆ、１．５ｋｇｆとし、Ｒ１、Ｒ２、Ｆ２は実際よりも１０％小さい値として測定されたとしている。
【０１１６】
この結果、表３に示した誤差のない場合に比べて、ｍ２、ｍ３の絶対値はそれぞれ−７％、６．１％変っているが外力なしの場合に比べては依然として半分近くになっており、実用上差し支えない。
【０１１７】
（４）制御に誤差がある場合
（３）に示した誤差に加えて、「制御」で求められた外力Ｅ１、Ｅ３を発生する際の計測値に誤差があり実際に発生した力が必要な値より１０％小さかった場合の例を表６に示す。
【０１１８】
【表６】
0003917432.tif 000007
【０１１９】
表６に示した例の場合、表４に示したの誤差のない場合に比べて、ｍ２、ｍ３の絶対値はそれぞれ−０．７％、１０．８％大きくなっている。
【０１２０】
しかし、支援装置として筋肉の発生する力を低減するという点からは十分な機能を有している。
【０１２１】
（５）姿勢が変った場合
表７は、もっと膝を曲げた場合の例、つまり図５に示すような姿勢の場合の例を示す。
【０１２２】
【表７】
0003917432.tif 000008
【０１２３】
図５に示す姿勢は、例えば、階段を上る時の、これから伸ばそうとしている足に対応した姿勢になっている。
【０１２４】
表７に示した場合の例は、表５の場合に比べてモーメントｍ２ははるかに大きくなっており膝に大きい負担がかかることが分かる。しかし、支援装置による外力がない場合に比べればはるかに緩和されている。ただし、そのために必要な外力Ｅ１、Ｅ２もずっと大きくなっている。
【０１２５】
支援装置から体に加えるべき力の最大値もこのような大きく膝を曲げ、かつ許容できる最大限の重量の荷物を持った状態を想定しておけば良い。
【０１２６】
（６）足を上げた場合
図６は足を上げたときの姿勢を示す図であり、表８に足を上げた場合の各値を示す。
【０１２７】
【表８】
0003917432.tif 000009
【０１２８】
表８において、腰、膝、足首のモーメントｍ１、ｍ２、ｍ３を軽減するためそれぞれ外力Ｅ２、Ｅ４、Ｒ１が用いられている。
【０１２９】
Ｅ２は膝を下げる方向が正であるが、ここでは、筋力を軽減するためには膝を持ち上げる力が必要なため負になっている。
【０１３０】
人体が発生しているモーメントｍ１、ｍ２、ｍ３は支援装置からの力が無い場合に比べて半分になっており、装置からの支援の効果があることが分かる。
【０１３１】
（７）歩行している場合
人が前向きに進んでいる時というのは、前向きに加速度を発生している時であり、体の各部には後ろ向きの力がかかる。表９にそのような場合の計算結果を示す。
【０１３２】
【表９】
0003917432.tif 000010
【０１３３】
表９に示した値は、姿勢は図４に示した姿勢と同様であるが、上半身の重量５０ｋｇに対して重力の１０％の加速度（０．１Ｇ）がかかり、Ｆ１に５ｋｇｆの力が生じているとして計算した例である。計測や制御の誤差、下肢各部の重量設定値の誤差は表６と同様とした。
【０１３４】
支援装置から腰にかかる太腿に直交する力Ｅ１が、表６の１．２ｋｇｆに比べ、制御指示値で８ｋｇｆ、誤差を含めた実現値で７．２ｋｇｆと大きく増えている。図４の姿勢から分かるとおり、Ｅ１の一部は体重を支えるためのものであるが、大部分は前向きに作用するため、体を加速方向に押すことになり前向きの加速を支援している。
【０１３５】
一方、膝にかかる力Ｅ３はあまり変わっておらず、大部分が体重を支えるための力である。これは上半身の重量を直接受けている腰に支援装置から直接前向きの加速のための力がかかっている為である。
【０１３６】
体に後ろ向きの力がかかった結果として、脛と腿の角度を開く方向のモーメントｍ２は表６に示した場合に比べ大きく増え、一方、足と脛との角度を狭める方向のモーメントｍ３は大きい負の値であったものが絶対値が減少している。
【０１３７】
上体と腿との角度を開くためのモーメントｍ１も後ろ向きの力の影響で半分以下に減少している。表９でｍ１の実際の値より観測値や外力なし欄の値がかなり小さくなっているが、これは設定した各種計測、制御、設定誤差のためである。
【０１３８】
表１０にそれらすべての誤差を無くした場合を示すが、実際と観測、外力なし、制御の各欄の数値は一致している。
【０１３９】
【表１０】
0003917432.tif 000011
【０１４０】
以上のように、人が歩行している場合でも上記の方法によって必要な支援装置からの力を算出でき、それによって人体の発生する力をほぼ半減することが可能となっている。
【０１４１】
以下、本発明の一実施形態である動作支援装置を説明する。
【０１４２】
図１において、人体１に装着された動作支援装置２は、腰支持ベルト１０、エネルギー源（動力源）兼制御ユニット３、上半身支持機構４、および歩行支援機構を備える。
【０１４３】
そして、歩行支援機構は、腰部モーメント発生装置２０、大腿支持ビーム３０ａ及び３０ｂ、膝部モーメント発生部４０ａ及び４０ｂ、脛支持ビーム５０ａ及び５０ｂを備える。
【０１４４】
さらに、歩行支援機構は、踝部モーメント発生部６０ａ及び６０ｂ、足支持部７０、大腿上部装着ベルト８０、大腿下部装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００、足首装着ベルト１１０、足先装着ベルト１２０を備える。
【０１４５】
歩行支援機構に備えられた各構成部のうち、左右両足分は、左右対称に装備されているものとする。
【０１４６】
また、腰部モーメント発生装置２０は、腰支持ベルト１０と大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂとを繋ぐとともに足が地面についているときは上半身の重量を支持し、足を上げているときにはその足を持ち上げるためのモーメントを発生する。
【０１４７】
また、この腰支持ベルト１０と大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂとの接続部分は、足や脚を開いたり閉じたりする方向には自由に曲がるものとする。
【０１４８】
また、膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂは、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂと脛支持ビーム５０ａ、５０ｂとを繋ぐとともに膝を曲げたり伸ばしたり、それによって太腿や腰、上半身を上げたり下げたりする筋力を支援するモーメントを発生する。
【０１４９】
また、踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂは、脛支持ビーム５０ａ、５０ｂと足支持部７０を繋ぐとともに、足首を曲げたり伸ばしたり、あるいは足が地面についているときには膝を持ち上げる筋力を支援するモーメントを発生する。
【０１５０】
大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂ、脛支持ビーム５０ａ、５０ｂ、足支持部７０は、それぞれ重力加速度を含む立っている場所の加速度の方向と、それらのビームないし板の方向のなす角度、すなわち、図２のθ２、θ３、θ４を検出するセンサーを有している。
【０１５１】
足支持部７０は、足を支持するとともに足から足支持部７０にかかる力及びそのモーメントを測定するセンサーを有するものとする。
【０１５２】
すなわち、足支持部７０は、図３に示す、足に加えられる力Ｒ１、Ｒ２、Ｆ２に相当する量あるいはそれらを計算により求める事のできる量を測定するセンサーを有する。
【０１５３】
また、足支持部７０は、地面と足支持部７０との間の力及びそのモーメントを測定するセンサーも有する。
【０１５４】
これにより、足が地面についているかどうかを判定するだけでなく、支援装置自体の重量やそれによるモーメントを計測することができる。
【０１５５】
また、大腿上部装着ベルト８０、大腿下部装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００、足首装着ベルト１１０、足先装着ベルト１２０は、それぞれ、各ビームの端部近辺の部位と人体とを接続し、人体とビームとの間で力を伝えるとともに、それらの力、すなわち、図３に示す力Ｈ１、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４（Ｈ１はビームと水平方向に働く力、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４はビームと垂直方向に働く力）を測定するセンサーを有する。
【０１５６】
大腿上部装着ベルト８０に伝達される力は腰を持ち上げることによって膝の筋肉の発生するモーメントを緩和するが、その位置が膝から離れているほど小さい力で同じモーメントを発生できる。
【０１５７】
人体と本発明による動作支援装置との間の力は、なるべく小さいほうが人体の局所に負担がかからないため、大腿上部装着ベルト８０は大腿の上端に設置できるような構造、寸法になっている事が望ましい。
【０１５８】
同様に、大腿下部装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００は、いずれもなるべく膝に近い位置に装着できる事が望ましい。また、足首装着ベルト１１０は、足首に近い位置に装着できる事が望ましい。
【０１５９】
エネルギー源兼制御ユニット３は、歩行支援機構による計測値θ２、θ３、θ４、Ｒ１、Ｒ２、Ｆ２、Ｈ１、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４および設定値Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４から人体の負担を軽減するのに必要な力Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を計算し、膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂおよび踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂの動作制御を行う。
【０１６０】
モーメント発生部の構造の例を図７に示す。この図７に示す例は、腰支持ベルト１０に付けられた腰部モーメント発生部２０に関するものであるが、他の膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂ及び踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂでも同様の構造でモーメントを発生することができる。
【０１６１】
図７の（Ａ）に示すように、腰支持ベルト１０上に設置された軸受け１１と軸１３で結合された台座１２の上にガイドリング２１、軸受け２３、バー２４が設置されている。ここで、人体の脚が開く向きを自由に変えられるように台座１２は軸１３のまわりで角度を変えられるようにしてある。
【０１６２】
大腿支持ビーム３０ａのモーメント発生部２０と繋がる部分は、図７（Ｂ）に示すように、ガイドパネル２２と、軸２５と、バー２６とを備える。ガイドパネル２２は円環状に溝２７を有しており、この溝２７にガイドリング２１が挿入されるようになっている。
【０１６３】
また、軸２５は、軸受け２３に挿入され、ガイドリング２１とガイドパネル２３とは相互に回転できるようになっている。
【０１６４】
図７の（Ｃ）に断面図を示すように、溝２７にガイドリング２１を挿入したときにできる円環状空間には２つのベロー２８が納められ、各ベロー２８の両端は各バー２４、２６に接合されている。
【０１６５】
また、これらのバー２４、２６には、各ベロー２８にガスを送り、あるいはガスを抜く通路が設置してあり、それ以外は気密構造になっている。
【０１６６】
いずれか一方のベロー２８にガスを送り、他方のベロー２８に充満するガスを抜くことでモーメントを発生することができる。圧力の差はほぼモーメントに比例するため、制御は比較的容易である。
【０１６７】
図８は、発生させるモーメントを制御するための制御系統の一例を示す図である。
図８において、ベロー２８ａとベロー２８ｂは、圧力源１３１からガス加熱器１３６を経由して加圧管１３４ａおよび１３４ｂが、それぞれバー２４あるいは２６を通してつながっている。
【０１６８】
圧力源１３１としては、炭酸ガスや窒素ガスなどの高圧ガスボンベ、コンプレッサなどが考えられる。特に、常温で高圧にする事によって液化するガスは圧力源の容積が小さくて済み望ましい。
【０１６９】
ただし、気化やそのあとの膨張によって温度が下がるため、加熱器１３６によってガス温度を常温以上に加熱し、ガス体積を膨張させる事によって作動に要するガスの量を節約できる。
【０１７０】
加圧管１３４ａ及び１３４ｂの途中には電動制御弁１３２ａ及び１３２ｂが設置されている。また、電動制御弁１３２ａ及び１３２ｂと、ベロー２８ａ及び２８ｂとの間には、ガス放出管１３３ａ及び１３３ｂがつなげられ、それぞれの放出管１３３ａ、１３３ｂには電動制御弁１３１ａ及び１３１ｂが設置されている。
【０１７１】
電動制御弁１３１ａと１３２ｂとは、制御信号１３５ａで、電動制御弁１３１ｂと１３２ａは制御信号１３５ｂで制御されるものとする。
【０１７２】
制御信号１３５ａに弁を閉じる信号が供給されると、電動制御弁１３１ａと１３２ｂが閉じ、ベロー２８ａからはガスが抜けなくなり、ベロー２８ｂには高圧ガスが供給されなくなる。
【０１７３】
同時に、制御信号１３５ｂにより、電動制御弁１３１ｂと１３２ａに、これらの弁を開ける信号が供給されると、ベロー２８ａに高圧ガスが供給され、ベロー２８ｂからはガスが抜ける。
【０１７４】
これによって、ベロー２８ａは高圧に、ベロー２８ｂは大気圧になり、モーメントが発生する。
【０１７５】
逆のモーメントを発生させたいときは制御信号を逆に送ればよい。つまり、弁１３２ｂ、１３１ａを開とし、１３２ａ、１３１ｂを閉とする制御信号を供給されば、逆のモーメントを発生することができる。
【０１７６】
図９は、大腿上部装着ベルト８０の概略構造の一例を示す図である。この図９は大腿上部装着ベルト８０の構造例であるが、他の装着ベルトも同様の構造で実現することができる。
【０１７７】
図９において、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂには張力検出器８３ａ、８３ｂ、８３ｃ、８３ｄが取り付けられ、その張力検出端にはそれぞれベルト８１ａ、８２ａ、８１ｂ、８２ｂが取り付けられている。
【０１７８】
ベルト８１ａと８２ａ、ベルト８１ｂと８２ｂは、それぞれ、締め金具８４によって長さを自由に変えて、互いに締め付け固定することができる。ベルト８１ａと８２ａ、ベルト８１ｂと８２ｂの内側には、人体保護のためのパッド８５が設置され、人体と動作支援装置とはこれらのパッド８５を通してのみ力を伝え合うようになっている。
【０１７９】
張力検出器８３ａ、８３ｂ、８３ｃ、８３ｄは、いずれも図９中の大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂの断面の長手方向に平行な張力と断面図の紙面に直交する方向の張力とを検出するようになっている。
【０１８０】
大腿上端にかかる力Ｅ１（図３に示す）は、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂの断面の長手方向に平行な張力の差し引きで求める事ができる。また、大腿支持ビーム３０ａ、３０ｂに平行な力Ｈ１は図９の紙面に直交する方向の力の総和として求められる。
【０１８１】
図１０は大腿支持ビーム３０ａの構造の一例を示す図である。他の支持ビームも、この大腿支持ビーム３０ａと同様の構造となっている。
【０１８２】
図１０において、外筒３１と内筒３２とは、アルミニウムあるいはマグネシウム等の軽金属、ないしは繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰ）等、あるいはそれらを組合せた複合材料でできた扁平管の形状をしており、重量に比べ曲げ強度を持たせてある。
【０１８３】
内筒３２は、外筒３１に抜き差しできるようになっており、外筒３１の内側には隔壁３４が形成され、内筒３２の内側には隔壁３５が形成されている。隔壁３４には調節ナット３９が取り付けてあり、外筒３１の外側から調節ナット３９を回せるように構成されている。
【０１８４】
調節ナット３９には支持軸３３の一方端側に形成されたねじ部分３８が挿入されている。そして、支持軸３３の他方端側にはストッパー３７ａ及び３７ｂが形成されており、ストッパー３７ａと隔壁３５との間にはばね３６ａが配置されている。
【０１８５】
また、ストッパー３７ｂと隔壁３５との間にはばね３６ｂが配置されている。支持軸３３は図示していないがキー溝等の方法で調節ナット３９を回しても一緒に回転しないようにしてあるものとする。
【０１８６】
このように大腿支持ビーム３０ａが構成されているため、大腿部の長さが違う人間が大腿支持ビーム３０ａを装着する際、調節ナット３９を回す事によって大腿支持ビーム３０ａの長さを調節する事ができる。
【０１８７】
また、ばね３６ａと３６ｂは、自由状態に対しあらかじめある程度縮めてあり、外筒３１と内筒３２の抜き差しに対し所定の抵抗を発生するようにしてある。
【０１８８】
これらのばね３６ａと３６ｂにより人体の姿勢が変わったときに大腿支持ビーム３０ａの若干の伸び縮みを許容することができる。
【０１８９】
望ましくは、ねじ等によりストッパー３７ａと３７ｂとの間隔も変えられるように構成すれば、外筒３１と内筒３２との抜き差し、すなわち大腿支持ビーム３０ａの伸び縮みに対する抵抗を変えることもできる。
【０１９０】
なお、各支持ビームの中には計測器からの信号を伝える電線やモーメント発生部にガスを送る配管も通してあり、抜き差しによって支持ビームの長さが変わっても許容できる余裕を持たせてあるものとする。
【０１９１】
図１１は足支持部７０の一例における構造外観図である。
図１１において、足を乗せる部分は足載せ板７２と、基盤７３と、接地板７４との３層構成となっており、それぞれの間には後述する荷重センサーが設置されている。
【０１９２】
また、基盤７４には足の両側に接続板７１が繋がっており、これら接続板７１は、踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂを介して、脛支持ビーム５０ａ、５０ｂに接続されている。また、基盤７４の足先に近い位置には足先装着ベルト１２０が接続されている。
【０１９３】
基盤７４と足先装着ベルト１２０との接続部には、図９に示した大腿上部装着ベルト８０と同様に、張力を検出する張力検出器７９ａ及び７９ｂが設置されている。
【０１９４】
足載せ板７２と基盤７３との間、基盤７３と接地板７４との間には、図１２に示すように荷重センサー７５ａ、７５ｂ、７６ａ、７６ｂが設置されている。これらの荷重センサー７５ａ、７５ｂ、７６ａ、７６ｂは、足載せ板７２と基盤７３との間、基盤７３と接地板７４との間で押し付ける力だけでなく、負の押し付け力すなわち張力やそれらの板に平行な剪断力も検出できる構造とする。
【０１９５】
足先装着ベルト１２０と荷重センサー７５ａの取り付け位置を一致させておくことにより足先の力Ｒ１（図３に示す）は、張力検出器７９ａ及び７９ｂの張力検出値の和と荷重センサー７５ａの押し付け力計測値の差し引きで求めることができる。
【０１９６】
これにより、足先装着ベルト１２０を締め付ける力は相殺され、体重や荷重を支えている力Ｒ１のみを求ねることができる。また、踵部にかかる力Ｒ２（図３に示す）は、荷重センサー７５ｂの押し付け力により得られる。
【０１９７】
また、足の裏に平行な力Ｆ２（図３に示す）は荷重センサー７５ａ、７５ｂの剪断力計測値の和により計算することができる。
【０１９８】
また、図２で定義した力Ｒ１とＲ２がかかる点の間の距離Ｌ４は荷重センサー７５ａ、７５ｂのそれぞれの中心点の間の距離を使う。
【０１９９】
足が地面から離れているか否かは、荷重センサー７６ａの計測値とセンサー７６ｂの計測値との和がゼロかどうかで求めることができる。また、足が地面から離れているか否かのもう一つの方法としては、上記方法で求めたＲ１とＲ２との和がゼロか否かで判定する事もできる。
【０２００】
実際にはこれらの計測値には誤差があるため、判定にあたっては、あるゼロではない基準値を設定しておき、その値より小さいか否かで判定する。
【０２０１】
図１３は、歩行支援機構の動作制御フローチャートである。
図１３のステップＳ１において、各部の長さＬ２、Ｌ３、Ｌ４および重量Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、力軽減率ｆを設定する。各部の長さＬ２、Ｌ３、Ｌ４については各支持ビームが長さ調節でき、且つ若干は伸び縮みできることから自動検出機能をつけて、長さ調節時、あるいは使用時に自動検出したビーム長さの寸法値を使っても良い。
【０２０２】
例えば、隔壁３４と３５との間の距離を検出することによって各部の長さＬ２、Ｌ３、Ｌ４を検出するように構成することも可能である。
【０２０３】
次に、ステップＳ２において、各部のセンサーの読みから上述したような方法で、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｈ１、Ｒ１、Ｒ２、Ｆ２、θ１、θ２、θ３、θ４を計算する。
【０２０４】
次に、ステップＳ３において、Ｒ１＋Ｒ２があらかじめ設定した値よりも大きいか否かを判定し、大きければ足が地面についていると判定し、ステップＳ４に進む。
【０２０５】
そして、ステップＳ４において、上記式（２９）、（３０）、（３１）によりＦ１、Ｇ１、ｍ１を計算する。
【０２０６】
次に、ステップＳ５において、Ｅ１、Ｅ３をゼロとして上記式（２０）、（２１）よりｍ２、ｍ３を計算し、ステップＳ６において、ｍ２、ｍ３に力軽減率ｆを掛けて目標モーメントｍ＊２、ｍ＊３を計算する。
【０２０７】
ステップＳ７において、上記ステップの計算結果を使って、Ｅ１、Ｅ３の制御目標Ｅ＊１、Ｅ＊３を計算し、ステップＳ８において、Ｅ１、Ｅ３が制御目標Ｅ＊１、Ｅ＊３になるようにモーメント発生装置４０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂを制御する。
そして、処理はステップＳ２に戻る。
【０２０８】
なお、一本の足の両側にあるモーメント発生部は基本的に同じモーメントを発生するのが望ましい。そのためにはガス圧で駆動する場合、対応するベローのガス圧を同じにするか、あるいは対応するベローどうしの間に連通する管を設け、圧力を同じにしておけばよい。これは次に述べる足をあげている場合でも共通である。
【０２０９】
一方、ステップＳ３において、Ｒ１＋Ｒ２があらかじめ設定した値よりも以下の値の場合には、ステップＳ９に進み、Ｒ１、Ｅ２、Ｅ４をゼロとして上記式（２５）、（２８）、（３１）よりｍ３、ｍ２、ｍ１を計算する。そして、ステップＳ１０において、ｍ３、ｍ２、ｍ１に力軽減率ｆを掛けて目標モーメントｍ＊３、ｍ＊２、ｍ＊１を算出する。
【０２１０】
次に、ステップＳ１１において、上記ステップで算出した結果を使って、上記式（３４）、（３５）、（３８）によりＲ１、Ｅ４、Ｅ２の制御目標Ｒ＊１、Ｅ＊４、Ｅ＊２を計算する。
【０２１１】
そして、ステップＳ１２において、Ｒ１、Ｅ４、Ｅ２が制御目標Ｒ＊１、Ｅ＊４、Ｅ＊２と一致するように、モーメント発生部２０、４０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂを制御する。そして、処理はステップＳ２に戻る。
【０２１２】
以上のように、本発明の一実施形態である動作支援装置によれば、人体の腰部に装着される腰支持ベルト１０に取り付けられ、人体腰部の両側面側に、それぞれ、配置される２つの腰部モーメント発生部２０と、人体の両脚部の膝の両側面側に配置される膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂと、腰部モーメント発生部２０と膝の外側に配置される膝部モーメント発生部４０ａとを接続する外側大腿支持ビーム３０ａと、この大腿支持ビーム３０ａを人体の大腿に固定する大腿上部下部支持ベルト８０及び９０と、これら大腿上部下部支持ベルト８０及び９０と膝の内側に配置される膝部モーメント発生部４０ｂとを接続する内側大腿支持ビーム３０ｂと、人体の両脚部の踝の両側面側に配置される踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂと、膝部モーメント発生部４０ａ及び４０ｂと踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂとを接続する脛支持ビーム５０ａ及び５０ｂと、これら脛支持ビーム５０ａ及び５０ｂを人体の脛部に固定する脛上装着ベルト１００及び足首装着ベルト１１０と、人体の足裏を支持する足支持部７０と、この足支持部７０と踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂとを接続する接続版７１と、足支持部７０と人体の足先とを接続する足先装着ベルト１２０と、腰部モーメント発生部２０、膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂ、踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂに発生する加速度、回転角度を検出するセンサと、足支持部７０に加わる荷重を検出するセンサと、これらの検出センサからの検出信号に基づいて、腰部モーメント発生部２０、膝部モーメント発生部４０ａ、４０ｂ、踝部モーメント発生部６０ａ、６０ｂの各部に一定の軽減率ｆで人体の動作を支援するために、それぞれ発生すべき、動作支援力を演算し、その動作支援のためのエネルギーを、上記各モーメント発生部に供給するエネルギー源兼制御ユニット３と、を備えている。
【０２１３】
つまり、エネルギー源兼制御ユニット３は、モーメント発生部２０、４０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂからの支援力が人体に加えられていないときに人体各部が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の軽減率ｆを掛けた支援力を上記モーメント発生部２０、４０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂに発生させる。
【０２１４】
したがって、人体に対する全荷重を概略所定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現することができる。
【０２１５】
なお、上述した例では制御目標を本発明による動作支援装置から体にかかる力にして説明したが、基本概念等で説明したようなモデルを動作支援装置に対して設定して、必要なモーメントを直接計算して制御してもかまわない。
【０２１６】
本発明による動作支援装置そのものも、図２あるいは図３に示すようなビームの集合体としてモデル化でき、ほとんど同じ式の導出によって解くことができる。
【０２１７】
また、上述した例においては、制御目標を計算する際、あらかじめ定めた一定の比率で人体が発生するモーメントを軽減することとしたが、この比率は常に一定である必要はなく、例えば、人体が負担すべき荷重の上限をあらかじめ定めておき、それを超えないよう目標のモーメントを定める事もできる。
【０２１８】
あるいは、本発明による動作支援装置からの力がないと仮定した場合に必要なモーメントが大きくなるほど軽減割合を小さくするような関数とする事もできる。
【０２１９】
また、本発明による動作支援装置の強度や動力が対応できない限界値をあらかじめ定めて置き、荷重が大きくなりすぎてそれらの限界を超えそうになったときは警報を出す機構や、動力源が残り少なくなったときにも警報を発生する機構をつけることもできる。
【０２２０】
さらに、動作支援装置の動力がなくなったときにすべての荷重を人体が引き受けた結果、人体が急激につぶれないように、動力がなくなったときにはガスの抜ける通路を絞り、ガスがゆっくりと抜けるような機構があれば人体が損傷を受けるのを防止できる。
【０２２１】
また、本発明の一実施形態では大腿部や脛部に沿ってビーム状の構造物を配置しており、各足の両側に１本ずつ配置するように構成したが、このようなビームに代えて、脚部や足の周囲を一部又は全部覆うような管状の構造としても差し支えない。
【０２２２】
この場合、大腿上部装着ベルト８０、大腿下部装着ベルト９０、脛上部装着ベルト１００、足首装着ベルト１１０、足先装着ベルト１２０等はそれら管内に納められ人体と本発明による動作支援装置との間で力を伝えるとともにそれらの力を計測する機能があればよく、必ずしもベルト状である必要はない。
【０２２３】
また、ビーム状の構造を使った場合でも脚部や足の周囲を何らかの殻ないしは皮膜、布等で覆っても良い。
【０２２４】
上述したような管状の構造物や殻、皮膜、布等で覆う場合、それらの内側の空気の温度を調節する機能を付加するように構成すれば、冷暖房を人体の周りのみに限定して行う事ができる。
【０２２５】
従来、個人用冷暖房としては懐炉等があったが、人体の周囲を覆って体の周囲の空気の温度を調節するものは実用化されていない。
【０２２６】
これは、人体の周りを覆う設備や、空気温度を調節する装置、温度調節された空気を循環する装置等の重量、容積が大きくなり、個人で持って歩く事ができないためであったが、本発明による動作支援装置によって、そうした重量を携行するための支援力を人体に付与することができれば、冷房装置等を個々人に対して設置可能となり、広い空間全体を冷暖房するのに比べて省エネルギーになるとともに、そうした冷暖房されていない環境でも快適に過ごせ、作業等も容易に行うことができる。
【０２２７】
また、圧縮、液化したガスボンベを動力源に使っている場合、ガスが気化、膨張する際の冷熱や、ガス圧を維持するための熱を上記冷暖房の熱源ないし冷熱源として使う事もでき、省エネルギーの観点からは利点が大きい。
【０２２８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、手や肩等の上半身で保持している荷物や、押したり引いたりしている物等によって発生する力を含めた、人体に対する全荷重を概略所定の割合で人体と支援装置とが負担して、人体の負荷を軽減し、自然な動作が可能な動作支援装置を実現することができる。
【０２２９】
つまり、動作支援装置からの支援力が人体に加えられていないときに人体各部が発生すべき力を演算し、演算した力に一定の軽減率ｆを掛けた支援力を動作支援装置に発生させるように構成した。
【０２３０】
したがって、人体の姿勢にかかわらず、また、上半身のどこでどういう荷重を支持しているかにかかわらず、下肢部の負担の大きい筋肉の負担を概略所定の割合で軽減できる動作支援装置を実現でき、人体の自然な動作を妨害することなく負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を示す概念図である。
【図２】人体の数学モデルを示す図である。
【図３】図２に示した数学モデルに加えられる力を定義する図である。
【図４】試算例における人体の姿勢を示す図である。
【図５】脚を大きく曲げた例の人体の姿勢を示す図である。
【図６】足を持ち上げたときの人体の姿勢を示す図である。
【図７】モーメント発生部の構造の一例を示す図である。
【図８】モーメント発生部の制御システムの構成例を示す図である。
【図９】装着ベルト構造の一例を示す図である。
【図１０】支持ビームの長さ調節機構の一例を示す図である。
【図１１】足支持部の外観構成図である。
【図１２】足支持部の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態である歩行支援機構の動作制御フローチャートである。
【符号の説明】
１                  人体
２                  動作支援装置
３                  エネルギー源兼制御ユニット
４                  上半身支持機構
１０                腰支持ベルト
１１                軸受け
１２                台座
１３                軸
２０                腰部モーメント発生部
２１                ガイドリング
２２                ガイドパネル
２３                軸受け
２４、２６          バー
２５                軸
２７                溝
２８ａ、２８ｂ      ベロー
３０ａ、３０ｂ      大腿支持ビーム
３１                外筒
３２                内筒
３３                支持軸
３４、３５          隔壁
３６ａ、３６ｂ      ばね
３７ａ、３７ｂ      ストッパー
３８                ねじ部分
３９                調節ナット
４０ａ、４０ｂ      膝部モーメント発生部
５０ａ、５０ｂ      脛支持ビーム
６０ａ、６０ｂ      踝部モーメント発生部
７０                足支持部
７２                足載せ板
７３                基盤
７４                接地版
７１                接続版
７５ａ、７５ｂ      荷重センサー
７６ａ、７６ｂ      荷重センサー
７９ａ、７９ｂ      張力検出器
８０                大腿上部装着ベルト
８１ａ、８２ａ      ベルト
８１ｂ、８２ｂ      ベルト
８３ａ、８３ｂ      張力検出器
８３ｃ、８３ｄ      張力検出器
８４                締め金具
８５                パッド
９０                大腿下部装着ベルト
１００              脛上部装着ベルト
１１０              足首装着ベルト
１２０              足先装着ベルト
１３１ａ、１３１ｂ  電動制御弁
１３２ａ、１３２ｂ  電動制御弁
１３３ａ、１３３ｂ  放出管
１３６              加熱器
【図１】
0003917432.tif 000012
【図２】
0003917432.tif 000013
【図３】
0003917432.tif 000014
【図４】
0003917432.tif 000015
【図５】
0003917432.tif 000016
【図６】
0003917432.tif 000017
【図７】
0003917432.tif 000018
【図８】
0003917432.tif 000019
【図９】
0003917432.tif 000020
【図１０】
0003917432.tif 000021
【図１１】
0003917432.tif 000022
【図１２】
0003917432.tif 000023
【図１３】
0003917432.tif 000024