(57)【要約】  本発明は、柔軟な装着型筋肉補助装置であって、少なくとも装着型ボディインターフェースを有しており、ボディインターフェースには能動的構成部材および受動的構成部材のエレメントが取り付けられており、エレメントは、使用者が、第２の身体部分に連結された第１の身体部分の位置を変化させるかまたは維持することを一緒に補助するように適応されており、装着型ボディインターフェースは、少なくとも２つのガーメント部分を有しており、能動的構成部材および受動的構成部材は、少なくとも１つの能動的に動力が与えられるエレメントを有し、受動的構成部材は、少なくとも第１の受動的構成部材および第２の受動的構成部材を有し、両受動的構成部材は、少なくとも２つのガーメント構成部材の間に延びており、使用者によってかつ／または少なくとも１つの能動的に動力が与えられるエレメントによって提供されるエネルギを蓄えるための弾性材料を有する、柔軟な装着型筋肉補助装置に関する。第１および第２の受動的構成部材が身体の関節の互いに反対側に配置されることが提案される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柔軟な装着型筋肉補助装置であって、
少なくとも装着型ボディインターフェースを有し、該ボディインターフェースには能動的構成部材および受動的構成部材のエレメントが取り付けられており、該エレメントは、使用者が、第２の身体部分に連結された第１の身体部分の位置を変化させるかまたは維持することを一緒に補助するように適応されており、前記装着型ボディインターフェースは、さらに、少なくとも２つのガーメント部分を有し、
前記能動的構成部材および前記受動的構成部材は、少なくとも１つの能動的に動力が与えられるエレメントを有し、
前記受動的構成部材は、少なくとも第１の受動的構成部材および第２の受動的構成部材を有し、両受動的構成部材は、少なくとも２つのガーメント構成部材の間に延びており、前記使用者によってかつ／または前記少なくとも１つの能動的に動力が与えられるエレメントによって提供されるエネルギを蓄えるための弾性材料を含む、柔軟な装着型筋肉補助装置において、
前記第１および第２の受動的構成部材は、身体の関節の互いに反対側に配置されていることを特徴とする、柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２】
前記使用者が、関節において連結された四肢の位置を変化させるかまたは維持することを補助するように適応されており、
前記少なくとも２つのガーメント部分は、使用時の少なくとも１つの他方の前記ガーメント部分が前記関節の非遠位位置に設けられている一方で、使用時に、前記関節の概して遠位の位置にある少なくとも１つのガーメント部分を有する、請求項１記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項３】
前記第１の受動的構成部材は、可能な関節角度の少なくとも第１の部分において、前記関節にトルクを加えるように適応されており、
前記第２の受動的構成部材は、可能な関節角度の少なくとも第２の部分において、前記関節にトルクを加えるように適応されており、
前記可能な関節角度の第２の部分の少なくともある部分において、前記第１の受動的構成部材の前記トルクは、ゼロであるまたは前記第２の受動的構成部材の前記トルクに反作用し、
前記第１および第２の受動的構成部材のトルクの合計は、一緒に、非ゼロトルクを前記関節に提供する、請求項１または２記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項４】
前記第１および第２の受動的構成部材のトルクの合計は、一緒に、正味関節曲げ補助を提供する、請求項３記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項５】
少なくとも１つの前記能動的構成部材は、少なくとも、案内された腱およびアクチュエータを有し、
この少なくとも１つの能動的構成部材は、関節の伸びを補助するように適応されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項６】
少なくとも１つのアクチュエータは、関節の伸びを補助するように適応されており、少なくとも１つの前記能動的構成部材によって提供される関節の伸びの補助に対して拮抗する力を提供するように適応された受動的構成部材が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項７】
少なくとも１つの前記能動的構成部材は、少なくとも、
案内された腱と、アクチュエータとを有し、前記案内された腱および前記アクチュエータは、一緒に、
重力に逆らって前記第１の身体部分の位置を変化させることまたは
重力に逆らって前記第１の身体部分の位置を維持するように該第１の身体部分を支持すること
を補助するように適応されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項８】
少なくとも１つの前記能動的構成部材の前記アクチュエータは、前記案内された腱を巻き上げるように適応されており、
前記腱は、該腱の巻上げが前記第１および第２の身体部分の間の少なくとも１つの関節を伸ばすように案内されている、請求項７記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項９】
前記関節の曲げのために前記腱を繰り出しかつ
連結された前記身体部分の重量によっておよび／または前記第１および第２の受動的構成部材によって一緒に関節に提供されるトルクの非ゼロ合計によって、前記腱に張力を加えるように適応されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの前記能動的構成部材は、少なくとも、前記ボディインターフェースに取り付けられた複数の腱端部に枝分かれした案内された腱を含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１１】
補助される前記身体部分が足であり、前記腱は、概して膝の前側であるが、概してヒップの後側の背後で案内され、その際、受動的エレメントとしてのストレッチバンドが膝の背後に設けられており、大腿のための受動的エレメントとしてのストレッチバンドが人間の前側に設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１２】
前記腱は、対応する四肢部分の長手方向軸線の主方向の方向に滑る、請求項１から１１までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの前記能動的構成部材は、その矢状面に関して身体の一方の側において案内され、次いで、関連する前記関節の前額面の反対側へ案内される２つの部分に分離した少なくとも１つの腱を含み、該腱は、前記矢状面の反対側において１つの腱に再統合されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１４】
前記第１および第２の受動的構成部材のうちの少なくとも一方が、ストレッチバンドおよび／またはばねを含む、柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１５】
前記少なくとも２つのガーメント部分のうちの少なくとも一方は、四肢部分を完全にまたは部分的に包囲するように配置されており、
前記少なくとも２つのガーメント部分のうちの少なくとも一方を収縮させるための収縮エレメントが設けられている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１６】
前記収縮エレメントは、
前記ガーメント部分に埋め込まれている、
受動力構成部材、特に該受動力構成部材の端部に取外し可能にまたは固定して接続されている、
前記能動的構成部材の能動的腱形成部分に接続されている、のうちの少なくとも１つである、請求項１から１５までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１７】
前記第１の身体部分が、長手方向軸線を有する四肢であるように適応されており、
前記収縮エレメントは、前記四肢の前記長手方向軸線に対して概して垂直に向けられており、前記収縮エレメントは、使用時に前記ガーメント部分の位置を維持するように適応されている、請求項１６記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１８】
身体と腱との間に滑りプレートが設けられている、請求項１から１７までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項１９】
使用者の身体と収縮エレメントとの間に設けられた剛性誘発プレートおよび／または滑りプレートを備える、請求項１から１８までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２０】
前記腱を、方向を変化させるアクチュエータまで案内するための、方向変化案内エレメントが設けられている、請求項１から１９までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２１】
前記腱は、十字形パターンおよび／またはジグザグパターンで案内されている、請求項１から２０までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２２】
前記ボディインターフェースは、前記柔軟な装着型筋肉補助装置の一部の全体的剛性を変化させるようにかつ／または筋肉活性化中の筋肉体積の変化を補償するように適応された複数の層を有し、
かつ／または、前記ボディインターフェースの複数の層は、層ジャミングのために適応されており、好ましくは層ジャミングのための入口を有し、
かつ／または、前記ボディインターフェースは、自動的に締め付けるように適応された、好ましくは能動的構成部材の腱に対して概して垂直な、複数の収縮エレメントを有し、
かつ／または、前記ボディインターフェースは、せん断力を法線力に変換するために、半剛性異方性プレートを有する、請求項１から２１までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２３】
前記受動的構成部材は、股関節、膝、足首関節、肩、肘および手首関節のうちの少なくとも１つの近くに配置された弾性材料を含み、該弾性材料は、その動きの間に、関連する足または腕の重量を補償するために解放させることができる関連する関節エネルギを蓄えるように適応されている、請求項１から２２までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２４】
少なくとも幾つかの前記能動的構成部材は、前記身体部分の自重に逆らって該身体部分を動かすまたは維持する筋肉を補助するように配置されている、請求項１から２３までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２５】
前記装着型筋肉補助装置は、少なくとも２つの関節を介して前記第２の身体部分に連結された前記第１の身体部分の位置を変化させるまたは維持する際に使用されるように適応されており、前記能動的構成部材は、これらの２つの関節の両方の角度位置を変化させるまたは維持するように適応されており、前記能動的構成部材には、両関節の角度位置を変化させるまたは維持するための１つのアクチュエータのみが設けられている、請求項１から２４までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２６】
前記腱は、低摩擦シース内に案内されており、該低摩擦シースのうちの少なくとも幾つかは、前記ガーメント部分のうちの少なくとも１つに部分的に取り付けられている、請求項１から２５までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２７】
前記腱は、たるんだシース内に案内されており、該たるんだシースのうちの少なくとも幾つかは、好ましくは、前記ガーメント部分のうちの少なくとも１つに少なくとも部分的に取り付けられている、請求項１から２６までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２８】
剛性のキャリヤプレートを有し、該剛性のキャリヤプレートに、少なくとも１つのアクチュエータおよび／または該少なくとも１つのアクチュエータのための電池が取り付けられている、請求項１から２７までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項２９】
前記剛性のキャリヤプレートは、前記第１の身体部分と前記第２の身体部分との間の１つまたは全ての関節から離隔している、請求項１から２８までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項３０】
アクチュエータとしてギヤレスモータが設けられている、請求項１から２９までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項３１】
アクチュエータ制御装置が設けられており、
前記第１の身体部分と前記第２の身体部分との間に存在する関節の角度、
前記第１および第２の身体部分の間に存在する関節の角度の変化、
前記第１の身体部分の絶対的な動き、
前記第２の身体部分に対する前記第１の身体部分の動き、
前記第１の身体部分の位置および
前記第１の身体部分の動きおよび／または位置に対する身体の一部にかかる圧力
のうちの少なくとも１つを示す信号を生成するように構成されたセンサ配列が設けられており、
前記アクチュエータ制御装置は、前記センサ配列によって生成された信号に応答してアクチュエータを作動させるように配置されている、請求項１から３０までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項３２】
前記制御装置は、関節のための許容された所定の上側および下側角度を記憶するように適応されており、関節角度または関節変化角度を示すセンサ情報を前記記憶された上側および下側の値と比較し、角度の値が、前記上側および下側の許容された値の間のインターバルから外れている場合、引張力アクチュエータをブロックするように適応されている、請求項１から３１までのいずれか１項記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項３３】
柔軟な装着型筋肉補助装置であって、
使用者が、
少なくとも一方の足または一方の足の一部を動かすことと、
歩行する、
立っている、
座った位置から立ち上がるおよび座る、
階段を上がる、
階段を下りる、のうちの少なくとも１つと、を補助するように適応されており、
使用者の各足のために、
第１の身体部分と第２の身体部分との間に存在する関節の角度または前記第１および第２の身体部分の間に存在する関節の角度の変化、または
前記第１の身体部分の絶対的な動きおよび／または
前記第２の身体部分に対する前記第１の身体部分の動き、
前記第１の身体部分の位置および／または
前記第１の身体部分の動きおよび／または位置に対する身体の一部にかかる圧力
のうちの少なくとも１つを示す少なくとも１つの信号を生成するように構成されたセンサ配列が設けられており、
前記アクチュエータ制御装置は、第１および第２の足の両方から導き出された信号に応答して一方の足のためのアクチュエータを作動させるように配置されている、柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項３４】
使用者が、
歩行する、
座った位置から立ち上がりかつ座る、
階段を上がる、
階段を下りる、
のうちの少なくとも１つにおいて、少なくとも一方の足または一方の足の一部を動かすことを補助するように適応されており、
前記センサ配列は、信号情報の少なくとも５つの値を提供するように適応されており、該５つの値は、少なくとも５ｍｓだけ離されており、好ましくは、少なくとも１０個の値はそれぞれ、少なくとも１０ｍｓだけ離されており、
前記アクチュエータ制御装置は、スイングサイクル、立ち上がり期間または座る期間のうちの少なくとも１つの少なくとも３０％、好ましくは少なくとも４０％、特に好ましくは少なくとも５０％の間に電力がアクチュエータに提供されるような形式でアクチュエータを制御するように適応されている、請求項３３記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項３５】
第１および第２の受動エレメントは、靭帯状形式で関節の互いに反対側に配置されている、請求項３３または３４記載の柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項３６】
柔軟な装着型筋肉補助装置であって、
使用者が、第２の身体部分に連結された第１の身体部分の位置を変化させるまたは維持することを一緒に補助するように適応された、ベース層と、能動的構成部材と、受動的構成部材とを少なくとも有し、
前記ベース層は、少なくとも２つのガーメントエレメントを有するガーメント状の層であり、
前記能動的および受動的構成部材は、前記ベース層に取り付けられたエレメントを有し、
前記能動的構成部材は、少なくともその長さの一部のために前記ベース層に取り付けられたシース内に案内された少なくとも１つの腱を有し、前記シースは、たるんでおり、
受動層は、
少なくとも２つの前記ガーメントエレメントを接続しかつ使用者によっておよび／または能動的構成部材によって提供されたエネルギの一部を蓄えるための弾性材料を有する受動エレメントを少なくとも含み、
前記能動的および受動的エレメントは、関節の互いに反対側に配置されており、関節を靭帯状形式で安定化させかつ拮抗する形式で作用する、柔軟な装着型筋肉補助装置。
【請求項３７】
柔軟な装着型筋肉補助装置であって、
使用者に対する補助の間に電気信号を介して制御可能な少なくとも１つのエレメントと、
補助のための使用者の要求を示す信号を提供するように適応されたセンサ構成部材と、
前記センサ構成部材によって提供されかつ補助のための使用者の要求を示す信号に応答して、補助の間に電気信号を提供するように適応された制御装置と、を有する柔軟な装着型筋肉補助装置において、
前記センサ構成部材は、
少なくとも第１および第２のセンサを有し、両センサは、
四肢または四肢の一部の絶対的な向き、
身体の別の部分に対する四肢または四肢の一部の向き、
関節角度、
身体部分の位置、速度または加速度
のうちの少なくとも１つを示すセンサ信号を提供するように適応されており、
前記第１および第２のセンサは互いに離隔しており、これにより、使用時に、少なくとも１つの関節が第１および第２のセンサの間に存在するまたは第１および第２のセンサは、隣接する関節に提供され、
信号調整回路が設けられており、該信号調整回路は、それぞれのセンサ信号の少なくとも２つの流れを前記制御装置へ入力するように配置されており、
前記センサ信号の第１の流れは、身体部分の動きの１つのサイクルの間に、前記第１のセンサからのセンサ信号に応答してセンサ信号の少なくとも１０の異なる値を一時的に提供し、前記センサ信号の第２の流れは、身体部分の動きの１つのサイクルの間に、前記第２のセンサからのセンサ信号に応答してセンサ信号の少なくとも１０の異なる離れた値を提供し、
前記制御装置は、周期的動きの間に両流れからの複数の値を評価することによって前記センサ信号の少なくとも２つの流れに応答して補助のための現在の要求を特定しかつ、
動きサイクル時間の少なくとも１０％の間に筋肉補助アクチュエータのための活性化信号を生成するおよび／または活性化および／または補助の少なくとも２つ、好ましくは４つの異なるレベルを有するように、適応されていることを特徴とする、柔軟な装着型筋肉補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柔軟な装着型筋肉補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筋骨格系の弱さは、人間の生活の質を低下させる問題を生じる可能性がある。このような弱さは、遺伝的異常の結果、発作などの神経状態の結果または老化によるものである可能性がある。弱さにより、人間は、髪をとかすときに腕を上げることができなかったり、スムーズに立ち上がるまたは座ることができなかったり、階段を上ることができなかったりすることがある。
【０００３】
これは、たとえ影響される人間がまだ腕、足またはその他の末端を動かすことができるとしても起こりえる。すなわち、人間が筋肉のどのグループに対してもコントロールできない完全な対麻痺などの状況とは対照的に、筋肉のうちの少なくとも幾つかをコントロールすることができる。しかしながら、人間が四肢を動かすために必要とする筋肉または筋肉のうちの少なくとも幾つかが弱すぎるとしても、特に筋肉が四肢の位置を重力に逆らって維持しなければならないかまたは体の一部を重力に逆らって持ち上げなければならない場合、例えば、歩行中に足先、大腿などを持ち上げなければならないとき、人間は、四肢を部分的にコントロールする能力を維持している。時には、このような状態は、例えば事故に遭った後に、負傷した筋肉を用いて動きを再訓練する必要があるような、一時的な性質のものでしかない。しかしながら、そのようなときでも、人間が弱さによって障害を生じる時間が、かなり長くなることがある。さらに、継続的な障害が予想されるような多くの条件も存在する。
【０００４】
したがって、筋骨格系の弱さによって影響される人間のための日常生活の活動を改善する必要がある。これは、特に、自分の体重を重力に逆らって支えることができないことにより、コミュニティーの中を移動するときに危険が生じることがあるような場合である。これは、可動性の一般的な欠如を生じる可能性があり、ひいては、関節痛または心臓血管的欠乏などの併存症につながる可能性があり、これらは全て、動きの全体的な減少に由来する。
【０００５】
別の例として、半身麻痺のある腕を有する脳卒中生存者は、日常生活の活動のために腕を使用することができないので、腕の使用を止める選択をすることがある。これは、転じて、学習された不使用として知られる現象につながる。これは、腕の使用の欠如が悪循環につながり、患者が腕の使用を完全に止めることがある状態である。動きを減らすかまたは抑制するこれらの行動は、回復を促進するために動きが行われる身体的リハビリテーションの一般的アプローチに反する。
【０００６】
電動式外骨格の形式で人間に補助を提供することが既に提案されている。これらの装置は、歩行または起立などの動きを助けるために使用者に力を加える。このために、人間の骨格の関節の近くに配置された機械的関節が設けられた剛性構造が使用される。外骨格は、外骨格の関節を曲げまたは伸ばし、これにより補助のために必要とされる力を伝達するための電気モータを有する。このような外骨格は、例えば、完全な対麻痺を有する人にとって非常に役立つことがあるが、剛性の外骨格は、かさ高で、重くかつ高価になる傾向がある。
【０００７】
また、特に外骨格の関節が人体の関節と正確に位置合わせされていない場合、剛性の外骨格の装着が不快であることがある。また、特に人間が深刻なハンディキャップを有するとき、人間を外骨格に収容するのが困難であることがある。
【０００８】
使用者のための筋肉サポートは、最初は軍事的用途のために開発された一連のプロジェクトにおいても提案されてきた。米国国防総省ＤＡＲＰＡ（高等研究計画局）による要求から始められたこれらのプロジェクトは、重い機材を運搬することによって生じる兵士の筋骨格負傷を減らす技術を開発しようとした。兵士が機材を運搬しているときに、足に注意深くタイミングが合わせられた補助的な力を提供することが提案された。エクソスーツとして知られるこのような装置は、外骨格のかさ高および重量の問題のうちの幾つかを克服したが、軍事目的のために開発されたエクソスーツは、障害のある人間にはほとんど適していない。丈夫な体の、十分に訓練された兵士のために開発された軍事用エクソスーツは、歩行サイクルの特定の段階で短いバーストの補助を提供するために、単純な位置ベース制御装置に依存することができる。しかしながら、障害のある人のニーズは、これらのバーストを超える。
【０００９】
補助の短いバーストがいくぶん不正確なタイミングであるとき、例えば、タイミングが、正確な歩行サイクルを備えた位相と僅かにまたは著しくずれているとき、またはバーストが、兵士および機材を完全に支持するためには弱すぎるとき、このような誤りは、軍事用エクソスーツからの有用な補助を全体的にかつそれにもかかわらず受ける十分に訓練された体により、兵士によって容易に修正される。対照的に、補助が障害のある人に提供されかつこのような補助が短すぎ、弱すぎまたは強すぎるかまたは誤ったタイミングで提供されると、エクソスーツを使用する障害のある人は、意図した動きを達成することができず、または転倒することさえある。
【００１０】
別の問題は、エクソスーツの使用者への力の伝達が、必要な補助を提供するために高いせん断力に依存するということである。これらの力は、大きな不快感につながる可能性があり、さらには、特に潜在的な使用者が、このような力またはそれらの不都合な効果を感じることを妨げる感覚的問題を有することがある場合、皮膚または体に対するさらなる負傷を生じることさえある。
【００１１】
このような従来の装置の例は、Walsh、Conor他によって出願された、人間の動きを補助するための柔軟なエクソスーツについての米国特許出願公開第１４／８９３９３４号明細書である。人間の運動を補助するための別の柔軟なエクソスーツは、米国特許出願公開第１４／６６０７０４号明細書として、Asbeck、Alan Thomas他によって出願されている。別のエクソスーツは、Kornbluh、Roy David他により、米国特許出願公開第１４／２０７２３３号明細書に開示されている。上述のWalsh、Conor他は、米国特許出願公開第１５／０２５４７２号明細書として、突出する部材を有する整形外科装置のための特許出願も出願している。別の従来技術は、米国特許出願公開第１３／５２０１０２号明細書における、Bureau、Maxime、Je Hyung JungおよびThierry Kellerによる、制御された剛性を有するフィッティングエレメントである。
【００１２】
Asbeck、Alan T.他は、リハビリテーションロボティクス（ＩＣＯＲＲ）、２０１３ＩＥＥＥ国際カンファレンス、ＩＥＥＥ、２０１３年において、論文“Biologically-inspired soft exosuit”を発表した。Wehner、Michael他は、ロボティクスおよびオートメーション（ＩＣＲＡ）、２０１３ＩＥＥＥ国際カンファレンス、ＩＥＥＥ、２０１３年において、論文“A lightweight soft exosuit for gait assistance”を発表した。Asbeck、Alan T.他は、ＩＥＥＥロボティクス＆オートメーションマガジン、第２１巻、第４号、第２２〜３３頁、２０１４年１２月において、論文“Stronger, Smarter, Softer: NextGeneration Wearable Robots”を発表した。Panizzolo、Fausto A他は、Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation、１３：４３、２０１６年における、“A biologically-inspired multi-joint soft exosuit that can reduce the energy cost of loaded walking”の著者である。Lobo-Prat、Joan他は、第５回IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics、ＩＥＥＥ、２０１４年において、“Design and control of an experimental active elbow support for adult Duchenne Muscular Dystrophy patients”についての論文を発表した。著者Lobo-Prat、Joan他は、リハビリテーションロボティクス（ＩＣＯＲＲ）に関する２０１５ＩＥＥＥ国際カンファレンス、ＩＥＥＥ、２０１５年において、“Adaptive gravity and joint stiffness compensation methods for force-controlled arm supports”を発表した。最後に、Portema、Eric(2015)は、“Design of the Act In Arm: a novel planar active arm support for assisting people with Duchenne Muscular Dystrophy during table-top tasks”を発表し、In, Hyunki他は、ＩＥＥＥロボティクス＆オートメーションマガジン、第２２巻、第１号、第９７〜１０５頁、２０１５年３月において、“Exo-Glove: A Wearable Robot for the Hand with a Soft Tendon Routing System”を発表した。
【００１３】
拡張された要約として、２０１６年１０月１３日にKai SchmidtおよびR.Robert Rienerによって最初にオンラインにされた以下の文献“MAXX: Mobility Assisting textile eXoskeleton that Exploits Neural Control Synergies”も参照される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
これを考慮して、本発明の目的は、日常生活の活動のために適しており、様々な状況において十分に快適に使用され、かつ異なる使用者および／または所定の使用者の変化する医学的条件に容易に適応させることができる、改良された柔軟な装着型筋肉補助装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この問題に対する解決手段は、独立請求項で請求されている。好ましい実施の形態は、従属請求項で請求されており、詳細な説明のあらゆる箇所に見つけることもできる。
【００１６】
詳細な説明にわたって、例えば、（彼女ではなく）彼の筋肉を動かす使用者がしばしば言及されることに留意すべきである。これは、読解を単純にする。これは、本発明の装置が男性使用者のみのために使用されることを示唆するものではない。これに留意して、本発明の装置は、男女両方のために使用することができ、人間は、大人、若者または子供であってよいことが理解されるであろう。
【００１７】
したがって、本発明の第１の態様では、柔軟な装着型筋肉補助装置は、少なくとも装着型のボディインターフェースを有しており、装着型ボディインターフェースには能動的構成部材および受動的構成部材のエレメントが取り付けられており、能動的構成部材および受動的構成部材は共に、使用者が、第２の身体部分に連結された第１の身体部分の位置を変化させるかまたは支持することを補助するように適応されている。柔軟な装着型筋肉補助装置は、さらに、少なくとも２つのガーメント部分を有しており、能動的構成部材および受動的構成部材は、少なくとも１つの能動的に動力が与えられるエレメントを有しており、受動的構成部材は、少なくとも第１の受動的構成部材および第２の受動的構成部材を有しており、両受動的構成部材は、少なくとも２つのガーメント構成部材の間に延びており、使用者によっておよび／または少なくとも１つの能動的に動力が与えられるエレメントによって提供されるエネルギを蓄えるための弾性材料を有しており、このようなスーツのために、第１および第２の受動的構成部材が身体の関節の互いに反対側に配置されることが提案される。
【００１８】
このように、付加的なトルクを加えることによって（または身体部分において引っ張ることによって）弾性材料を含む受動的構成部材を有する本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置は、身体を動かす筋肉を補助するだけでなく、負傷、身体の筋肉のあるグループの学習された不使用などにより身体の靭帯が弱まったところも補助する。これらの条件は、筋肉自体に影響するだけでなく、長期的に、痛み、身体関節の広範囲の摩耗などを生じる正しくない姿勢にもつながることがある。
【００１９】
したがって、装着型ボディインターフェースのガーメント構成部材の間に延びる、関節における１つの受動的構成部材だけではなく、関節の２つの反対側に配置することができるように少なくとも２つの受動的構成部材を提供することで、第１の身体部分を位置付けるときの筋肉と、前述のとおり、しばしば同様に障害が生じる身体の靭帯との両方を補助することができる。
【００２０】
したがって、学習された不使用のリスクおよび結果が打ち消され、また、使用者の幾つかの筋肉または筋肉グループが弱いかまたは機能しないときでさえも、人体の筋肉は、健康な人間の動きにより密接に対応した形式で身体部分を動かすことができる。
【００２１】
これは、低減された補助の使用を可能にし、その結果、アクチュエータサイズ、電池サイズなどの減少につながり、ひいては装置の重量およびコストの減少につながる。
【００２２】
装着型ボディインターフェースは、使用者の皮膚と直接接触してもよいし、または装着型ボディインターフェースは下着、服などの上から装着されてもよいことに留意すべきである。直接皮膚の上にボディインターフェースを装着することが好ましいことがある。なぜならば、これは、装着型ボディインターフェースと皮膚との間で服がしわになることによる使用者の不快感を回避するからである。
【００２３】
また、従来の（ただし、必要であれば大きなサイズの）服の下に装着される場合、柔軟な装着型筋肉補助装置の少なくともある構成部材を隠すことがより容易になるだろう。これは、特定の使用者にとって好ましい。
【００２４】
しかしながら、使用者の皮膚とボディインターフェースとの間に直接接触がないことが好ましい場合もある。なぜなら、例えばこの場合は、頻繁な洗濯、変化する周囲温度への適応などを可能にするために、使用者が下着などを装着することが可能になるからである。
【００２５】
装着型ボディインターフェースは、ズボンまたはスカートなどの一着の服の一般的形式を有していてもよいが、装着型ボディインターフェースは、シャツまたはズボンが通常カバーする身体の部分の一部のみをカバーする必要がある。
【００２６】
ボディインターフェースは、織物、織られた材料、機能性材料、プラスチックシートなどの１つまたは複数のプライ（ply）から成っていてもよい。したがって、ボディインターフェースは、詳細な説明の幾つかの部分では、層、ガーメント層、ベース層などと呼ばれる。
【００２７】
ガーメント部分に関して、各ガーメント部分は、天然繊維または人工繊維から形成された織物、織られたまたは編まれた材料またはフェルト、皮革などを含んでもよいことが留意される。ガーメントという用語は、本明細書では、柔軟な装着型筋肉補助装置が人体の十分に大きな部分をカバーするボディインターフェースを有している場合に、ズボンまたはシャツなどの服の全体ピースの外観および／または機能を有することを考慮して使用される。しかしながら、「ガーメント」などの用語は、所定の使用者にとって好ましい場合、そのセクションではなく服の全体ピースのみを指すように限定されるべきではないことが当業者に明らかになるであろう。
【００２８】
また、例えば、大腿および脛の両方においてまたは上腕と前腕との間にインターフェースを提供するために、装着型ボディインターフェースは、少なくとも２つの別個のガーメント部分を有しているが、例えば、これらのピースが縫い合わされていることにより、ガーメントの両部分を単一のピースで提供することができることに留意すべきである。したがって、ほとんどまたは全く補助なしに使用者が容易にかつ頻繁に装着することができるボディインターフェースを提供することができる。
【００２９】
使用者の一方もしくは両方の足のみ、または一方もしくは両方の肩もしくは腕のみに補助を提供することが十分ではなく、少なくとも一方の腕および少なくとも一方の足のためのサポートが必要とされる場合、装着型ボディインターフェースは、２つのピースから成っていてもよいことに留意すべきである。例えば、上半身のための１つのピースが肩および／または腕を補助するのに対し、装着型ボディインターフェースの別のピースは、一方または両方の足を補助するために使用されてもよい。
【００３０】
この場合、装着型ボディインターフェースのための別個のピースを有することはより容易であり得るが、別々に装着することができるボディインターフェースのそれぞれのピースに接続された、制御装置および能動的構成部材を含む１つの共通のユニットを有することがさらに可能である。例えば、ボディインターフェースは、少なくとも２つのガーメント部分を有しかつそれらの間に第１および第２の受動的構成部材が延びているズボン状ピースと、第２のシャツ状ピースとを有することができ、第２のシャツ状ピースも、１つのスリーブに統合された２つのガーメント部分を有しており、したがって一方のガーメント部分が上腕の近くに設けられている一方で、他方のガーメント部分が前腕に設けられており、これらの２つのガーメント構成部材の間にも第１および第２の受動的構成部材の別の対が延びている。
【００３１】
例えば、左足、右足、左腕および右腕を補助するための４つのモータを有する能動的構成部材は、１つの電池と、１つの共通の制御装置とを有していてもよく、１つの共通の制御装置は、例えば使用者の背中に装着可能な剛性のプレート上に、好ましくは装着型ボディインターフェースの上方に設けられており、かつアクチュエータの間で力を伝達し、制御装置へかつ／または制御装置からセンサ信号を送信し、かつ必要であれば、ボディインターフェースのそれぞれの部分に設けられたセンサ装置へ電力を供給するために、柔軟な装着型筋肉補助装置の他の部分に接続されている。このような共通の制御装置／電池配置は、１つまたは複数のアクチュエータと共に使用することができることが理解されるであろう。それがほとんどの使用者にとって最も快適であるため、このような共通の制御装置／電池を背中に配置することが好ましいが、他のところ、例えば、腹部の前側、脛の前側などに共通の制御装置／電池を配置することが可能であることも理解されるであろう。
【００３２】
制御回路および好ましくはモータまたはその他の電動式アクチュエータを備えるこのような（背中）プレートが剛体である場合でも、筋肉補助装置は、外骨格とは対照的に、それでもまだ柔軟であると考えられる。なぜならば、外骨格の場合のように補助装置の関節によって影響されることなく、関節、特に使用者の四肢の関節を動かすことができるからである。
【００３３】
好ましい実施の形態では、柔軟な装着型筋肉補助装置が位置を変化させるかまたは維持することを補助する第１の身体部分は、四肢である。この場合、少なくとも２つのガーメント部分は、使用時に関節の概して遠位の位置を有する少なくとも１つのガーメント部分を有していてもよいのに対し、使用時の少なくとも１つの他方のガーメント部分は、関節の非遠位位置に設けられている。
【００３４】
身体部分が足または腕である場合、関節は、股関節または肩であってもよい。身体部分が腕であり、関節が肩である場合、使用時に関節の概して遠位の位置にある１つのガーメント部分は、上腕または前腕に配置されてもよい。身体部分が足であり、関節が股関節である場合、使用時に関節の概して遠位の位置にある１つのガーメント部分は、例えば、大腿に配置されていてもよい。両方の場合において、他方のガーメント部分は、使用者の胴に直接対面するように（したがって関節の非遠位に）配置されてもよい。
【００３５】
その他の場合では、柔軟な装着型筋肉補助装置が、例えば、足を伸ばすのを補助するために使用され、したがって、第１の身体部分が、膝において第２の身体部分、すなわち大腿に連結された脛である場合、一方のガーメント部分は、足首、足先または脛自体に設けられてもよいのに対し、他方のガーメント部分は、膝の近位に設けられてもよく、すなわち大腿に対面している。
【００３６】
好ましい変形形態では、各受動的構成部材の部分が関節の一方の側、例えば、関節の前側にあるように、第１および第２の受動的構成部材が関節に沿って延びており、したがって、１つの動きは、第１の受動的構成部材を伸ばすのに対し、同じ動きが、例えば、関節の後側に配置された他方の受動的構成部材の伸びを減らす。したがって、第１および第２の構成部材の両方が、関節にトルクを加える。これは、可能な関節角度の全範囲にわたって当てはまる必要はなく、第１および第２の受動的構成部材が有していてもよい弾性材料のあらゆるプリテンションに依存する。第１および第２の構成部材のそれぞれによって可能な関節角度の全範囲にわたってトルクが加えられるように第２および第１の構成部材の両方にプリテンションが加えられていることが絶対に必要というわけではないことに留意すべきである。
【００３７】
むしろ、第１または第２の受動的構成部材は、曲げ範囲の所定の部分にわたって、すなわち関節がほとんど完全に伸ばされたときまたは関節がほとんど完全に曲げられたとき、たるんでいることが可能である。
【００３８】
しかしながら、可能な関節角度の範囲の少なくとも主要部分にわたって、第１および第２の構成部材の両方が同時に関節にトルクを加えると、一般に好ましい。例えば、第１および第２の受動的構成部材のうちの一方が曲げトルクを加えるのに対し、第２および第１および第２の構成部材のうちの他方が関節に伸ばしトルクを加えるように、両受動的構成部材にプリテンションがかけられていてもよい。この場合、第１および第２の受動的構成部材の全体トルクは、少なくとも全範囲にわたっては平衡せず、好ましい実施の形態では、１つの方向における正味トルクが関節に加えられる。
【００３９】
典型的に、正味トルクは、正味関節曲げ補助のための２つの受動的構成部材によって提供される。これは、関節の伸ばしを補助するために柔軟な装着型筋肉補助装置の能動的構成部材が必要とされる大部分の患者にとって特に有益である。例えば、上腕が鉛直から水平へ持ち上げられるとき、腕と胴との間の肩関節が伸ばされる。同様の形式で、座っている人の膝は通常曲がっているのに対し、立ち上がることにより膝が伸び、したがって、椅子から立ち上がるのを補助するために、やはり関節の伸びが必要とされる。同じことが股関節にも当てはまり、股関節は、座った位置でより曲がっており、立っているときにより伸ばされる。また、人間が前傾し、直立するために補助を必要とする場合、背中の椎骨のラインも、いくぶん伸ばされる必要があることがある。次いで、歩行中、筋肉活動が損なわれた使用者の場合に予想される通常のゆっくりと歩行する足取りにおいて足先を地面から持ち上げることは、股関節および立っている足の膝の両方を、他方の足先の足底を地面から容易に離すことができるように十分にまっすぐにすることを必要とすることに留意されたい。したがって、歩行補助も、関節の伸びに依存する。上に与えられた行動は全てある身体部分を少なくとも僅かに持ち上げることに留意されるであろう。したがって、提供される補助は、反重力補助であると考えることができる。また、身体部分、例えば腕が装置の助けによって持ち上げられた位置に維持されるだけである場合、または例えば座っているときに人の傾倒が防止される場合にも、やはり反重力補助が提供される。
【００４０】
上記のように、少なくとも１つの能動的構成部材が、関節の伸びを補助するように適応されていると有利である。これは、能動的構成部材が、その位置を変化させるために身体のある部分に力またはトルクを加える腱を有すると、容易に達成される。
【００４１】
腱は、通常、柔軟な装着型筋肉補助装置に沿って、アクチュエータから、力が加えられる点または領域まで案内され、アクチュエータは、通常、腱において引っ張るために使用される。第１および第２の受動的構成部材によって一緒に提供される正味補助が、関節の伸びのために少なくとも１つの能動的構成部材の腱が提供する力に対して拮抗するならば、特に好ましい。言い換えれば、能動的構成部材は最も頻繁に関節の伸びに対する補助を提供するのに対し、受動的構成部材の正味結果は、典型的に、能動的構成部材によって必要とされるように伸ばされた関節の曲げを提供する。
【００４２】
このように、単に能動的構成部材による補助を減らすことによってかつ／または身体部分が休息位置になるように能動的構成部材を完全に解放することによって、受動的構成部材は、拮抗力を提供するそれぞれの身体部分を再位置付けすることを助ける。
【００４３】
身体部分を所与の水平位置に位置付けることを助けるために、本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置を使用することができる。例えば、使用者が腕を持ち上げることができるとしても、それにもかかわらず、体の横で水平位置から体の正面へ腕を動かすことができない可能性がある。このような動きに障害がある場合、本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置が、説明した運動を補助してもよい。
【００４４】
しかしながら、ほとんどの場合、使用者は、腕を持ち上げる、座った位置から立ち上がるまたは歩き始めるために十分に体をまっすぐにするときに問題を有することが予想される。これらの典型的な場合、筋肉は、重力に逆らって身体または身体部分を持ち上げるためには弱すぎ、したがって、柔軟な装着型筋肉補助装置が、重力に逆らって身体部分の位置を変化させることを補助するために使用される。しかしながら、問題は、重力に逆らって身体部分を持ち上げる際に存在するだけでなく、重力があるにもかかわらず身体部分の位置を維持する際にも存在する。
【００４５】
例えば、使用者が髪をとかそうとするとき、使用者は、通常、腕を持ち上げて、髪をとかしている間、持ち上げられた位置に腕を維持する必要がある。これは、健康な使用者にとっては大きな問題にならないが、筋肉の弱い人間にとってはあまりに困難であることがある。したがって、好ましい実施の形態における柔軟な装着型筋肉補助装置は、重力に逆らって所与のまたは特定の位置に身体部分を支持するように適応されていてもよい。
【００４６】
重力に逆らって第１の身体部分の位置を維持するために、重力に逆らって第１の身体部分の位置を変化させることを補助するように適応された、案内される腱および腱のためのアクチュエータを有する本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置が使用されてもよいことが理解されるであろう。この場合、停止している間、腱の長さを維持するためにアクチュエータの動きを単に停止させることができる。
【００４７】
アクチュエータを停止させることは、例えばさらなる動きに対する機械的ロックである受動的手段によって、またはモータに連続的な動力を加えることによって、行われてもよい。
【００４８】
非常に好ましい実施の形態では、アクチュエータは、案内された腱を巻き上げ、腱は、腱を巻き上げることが少なくとも１つの関節を伸ばすような形式で案内される。これにより、アクチュエータとして、回転軸を有する単純なモータを使用することができる。この場合、能動的構成部材が作動したときに関節を曲げるために使用される腱が繰り出されると、力は、関節において連結された身体部分、および／または付加的な身体部分の重量の少なくとも１つによって、かつ／または、第１および第２の受動的構成部材の共通の動作によって正味トルクとして提供される関節上のトルクの非ゼロ合計によって、腱に加えられる。
【００４９】
腱は、例えば使用者が座るとき、制御された形式で繰り出されてもよい。ここで、腱の張力がゆっくりと減らされ、腱がゆっくりと繰り出されて、使用者が椅子の上で突然倒れることを防止する。また、関節の伸ばしのみが能動的にサポートされるが、両方向の動き、すなわち関節の曲げおよび伸ばしが、使用者によって受け入れられるように十分に速くなることが理解されるであろう。
【００５０】
複数の腱に分割された腱を有することも可能である。これにより、例えば、膝を伸ばすために１つの腱のみを巻き上げるが、膝に沿った２つの部分、すなわち膝関節の左側に沿った第１の部分および膝関節の右側に沿った他方の腱部分において腱を案内することが必要である。これは、例えば、肘についても行うことができる。
【００５１】
言い換えれば、少なくとも１つの能動的構成部材は、矢状面から見て体の一方の側で案内されかつ前額面の互いに反対側へ案内される２つの部分に分離した少なくとも１つの腱を有する。
【００５２】
腱は、ボディインターフェースに取り付けられてもよく、例えば、人間の足先の一部の周囲に配置されたループを形成するように再統合されていてもよいし、または、例えば膝を通過して腱を足先、足首または脛に取り付けることができるようにするために矢状面の反対側へ再び方向付けられていてさえよい。
【００５３】
特に関節に到達する前に分割され、次いで、関節のそれぞれの側において関節に沿って案内されるように、腱を複数の腱端部に枝分かれさせることによって、関節自体における圧力が減少し、また、配置も機械的安定性に関してより安定する。
【００５４】
関節よりも少ないアクティベータを使用する形式において複数の関節角度の同時調節を要求する動きをサポートするために、柔軟な装着型筋肉補助装置を適応させることができることに留意すべきである。例えば、股関節および膝の両方を伸ばすために単一のアクチュエータを使用することができる。アクチュエータの数を減らすと、柔軟な装着型筋肉補助装置のコスト、重量および複雑さが減り、より多数の使用者が、本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置をより頻繁に使用することにつながることが理解されるであろう。
【００５５】
したがって、本発明による柔軟な装着型筋肉補助装置が、足の位置の変化を補助するかまたは足の位置を維持するように適応されると好ましい。腱が、概して膝の前側であるが、概して股関節の後側の背後で案内される場合、受動的エレメントとしてのストレッチバンドを膝の背後に設けることができ、股関節のための受動的エレメントとしてのストレッチバンドを、人間の前側に設けることができる。これに関して、受動的エレメントとしてのストレッチバンドを提供することは絶対に必要というわけではないが、受動的エレメントは、例えば、伸長可能なストリングを含むこともできることに留意すべきである。
【００５６】
しかしながら、幅広のバンドが好ましい。なぜならば、幅広のバンドが装置ひいては使用者の体に対して加える圧力がより均一に分散し、また、例えば使用者が座る場合、幅広のバンドはより快適であるからである。典型的な幅広のバンドは、１ｃｍ〜１０ｃｍ、好ましくは２．５ｃｍ〜７ｃｍの幅を有していてもよい。
【００５７】
最も好適な場合では、柔軟な装着型筋肉補助装置は、腕または足の位置を変化させるかまたは維持する筋肉に補助を提供する。これらの場合、補助される四肢は、長手方向軸線を有する。腱は、最も頻繁に、胴のどこか（または、より正確には、胴に配置されたベース層）に取り付けられる。このような場合、腱は、四肢の対応する部分の長手方向軸線の主方向に沿って延びており、腱を巻き込むときに腱が四肢に対して移動しなければならない場合、腱はこの方向に滑る。
【００５８】
エネルギを蓄えるための弾性材料を含む第１および第２の受動的構成部材は、ストレッチバンドを含んでもよいし、かつ／または、使用時にボディインターフェースに取り付けられるストレッチバンドによって構成されていてもよい。第１および第２の受動的構成部材のためにストレッチバンドを使用すると、上記で説明したのと同じ利点を提供するが、ばね、伸長可能なストリングなどが使用されてもよいことが当業者によって理解されるであろう。
【００５９】
本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置の非常に好ましい変形形態では、柔軟な装着型筋肉補助装置を使用するときに使用者が受ける組織に対するせん断を減らすために注意が払われる。せん断に関して、能動的構成部材の腱は、いくつかの条件下で、人体またはより正確にはボディインターフェースに加えられる必要がある引張力を加えることに留意されたい。骨格により近い、四肢またはその他の身体部分の内側部分は、通常、このような外力によって影響されにくく、すなわち、内側部分はより動かず、その結果、力が皮膚に加えられると、人体の内側部分に対する人体の外側部分の運動が生じることがあることに留意されたい。これは、せん断と呼ばれ、本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置を使用する際の快適性が、この効果の影響を受けることがあることが理解されるであろう。
【００６０】
したがって、あらゆる柔軟な装着型筋肉補助装置において、せん断の効果を減らすことが好ましい。本発明は、体の関節の互いに反対側に配置されかつ少なくとも２つのガーメント構成部材の間に延びる第１および第２の受動的構成部材を有する最も一般的な形式でさえも、体の様々な異なる部分に力を加える、例えば、関節の複数の側に引張力を加えるという有利な効果を有する。本発明の好ましい実施の形態では、第１および第２の受動的構成部材によって加えられる力またはトルクが互いに異なるとしても、このことは、関節の近くにおける力の全体的なより均一な配分に寄与し、したがって、せん断による使用者の不快な体験を減らす。加えて、ガーメント部分のうちの少なくとも一方が四肢の少なくとも一部を包囲していると好ましい。
【００６１】
したがって、好ましい実施の形態では、それぞれのガーメント部分を収縮させる収縮エレメントが設けられていてもよい。ガーメント部分は、四肢部分を完全に包囲する必要はなく、例えば、その一部のみをカバーしてもよい。四肢周囲の一部をカバーしないでおくことにより、より多くの蒸散が許容され、特定の医学的検査などが可能になり、柔軟な装着型筋肉補助装置の装着がより容易になる。しかしながら、力の配分がより不均一になることがあり、これはせん断を生じる。
【００６２】
重なり合ったガーメントの領域において、フック・アンド・パイルファスナ、例えばベルクロファスナを用いて、ガーメント部分によって四肢の全周をカバーすることができる。ガーメント部分の少なくとも一方が、四肢の一部を少なくとも部分的に、例えば周囲の半分以上、好ましくは周囲の少なくとも３分の２を包囲していると、四肢の周囲にガーメント部分のフィットを締め付ける収縮エレメントを提供することができる。これは、せん断などの不利な効果をさらに一層均一化する。
【００６３】
基本的に、いったん使用者が柔軟な装着型筋肉補助装置を装着すると、収縮エレメントを単に緊張させることができる。これは、ある程度まで行うことができる。しかしながら、収縮エレメントが強すぎると、せん断がないとしても使用者にとって不快であり、四肢を通る血流も制限される。これは、使用者の感覚機能に障害がある場合、および／または、使用者が不快感を伝達することができないか柔軟な装着型筋肉補助装置を自分自身で調節することができない場合に、特に深刻である。
【００６４】
したがって、特に好ましい実施の形態では、収縮エレメントが、このような不利な効果を減らすための形式で設計されることが非常に好ましい。このために、収縮エレメントを、特に織物の一体的部分として、ガーメント部分自体に埋め込むことができる。収縮エレメントは、受動力構成部材に取外し可能または固定的に接続することができ、これにより、受動力構成部材によって加えられる力が増大すると、四肢の周囲に収縮エレメントを締め付けることができる。また、収縮エレメントを能動的腱または能動的構成部材の一部に接続することができる。
【００６５】
上記のことから、能動的構成部材の腱が四肢の長手方向軸線に沿って延びている好ましい実施の形態では、収縮エレメントは、使用時にガーメント部分の位置を維持するために四肢の長手方向軸線に対して略垂直に向けられてもよいことが理解されるであろう。収縮エレメントがあるレベルまでプリテンションをかけられていてもよく、収縮エレメントとしてバックル状ベルトを使用することができることにも留意すべきである。
【００６６】
したがって、使用者のためのせん断の不利な効果を減らすための他の可能性が存在することに留意されたい。これらの他の可能性は、上述の提案に加えて使用することができ、かつ／またはそれとは別個に使用することができる。
【００６７】
好ましい実施の形態では、使用者の身体と腱との間に滑りプレートが設けられてもよいことに留意されたい。これは、腱の摩擦を減らし、摩耗および熱発生によって生じる不快感を減らし、腱によって生じる圧力を均一化する。特に、靴紐と同様に、腱において引っ張ることが、滑りプレート上で可動なガーメント部分またはエレメントの２つの端部を引き寄せるように、能動的腱を少なくともその長さの一部にわたってジグザグパターンに沿って案内することができ、これは、四肢の周囲にガーメントを締め付けることを助ける。
【００６８】
柔軟な装着型筋肉補助装置は、通常、装置がより柔軟であるほどより快適であると考えられることに留意すべきである。例えば、使用者がリラックスした位置におり、体の僅かな動きしか生じず、補助なしで動くことができるとき、装着型筋肉補助装置は、できるだけ柔軟であるべきである。これに対して、使用者の補助が必要なとき、装置は、補助に支障があるほど柔軟であってはならない。
【００６９】
したがって、柔軟な装着型筋肉補助装置の剛性または柔軟性は、装置の現在の使用状態に依存することが非常に好ましい。
【００７０】
また、柔軟な装着型筋肉補助装置の少なくとも一部の全体的な剛性が、時間の経過とともに変化することができると、非常に好ましい。これは、例えば、好ましい実施の形態では、全体的な剛性を変化させるように一緒に適応された複数の層またはプライを有するボディインターフェースによって達成することができる。複数プライ配置が、互いに対して滑るプライを有していると、ボディインターフェースは、かなり低い剛性を有する柔軟な印象を与える。これに対して、プライが、互いに強い相互作用を有する場合、すなわち互いに付着または粘着していたり、互いに強く引き付けられていたり、互いに面した粗い面を有しているなどの場合、プライを独立して曲げるまたは変形させることはできず、全体的な剛性は著しく高くなる。
【００７１】
いわゆる層ジャミングを誘発することができることに留意すべきである（慣用的な技術用語である「層」を使用しているが、ボディインターフェースは、層ではなくプライを有すると考えられてもよい）。
【００７２】
柔軟な装着型筋肉補助装置の少なくとも一部の全体的な剛性を変化させることができる複数の層に加えてかつ／またはこれに代えて、ボディインターフェースは、特に能動的腱が引っ張られるときにまたは腱が巻き取られるときに引張力が加えられると、自動的に締め付けるように適応された、１つまたは複数の収縮エレメントを有することができる。
【００７３】
また、ボディインターフェースに１つまたは複数のプレート、特に異方性プレートが設けられている場合、これは、せん断力を法線力に変換するためにも使用することができ、身体部分を位置付けることを助ける、すなわち典型的に関節を伸ばすことを助ける方向で有効な力を加えるときに、せん断力を減らすことができることに留意すべきである。
【００７４】
弾性材料を有しかつエネルギを蓄える受動的構成部材は、股関節、足首関節、肩および／または肘のうちの少なくとも１つの近くに配置されてもよいことに留意すべきである。これらの弾性材料は、例えば身体部分の以前の移動の間に、例えば関連する関節の曲げのために、プリテンションをかけることができる。次いで、本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置を装着する使用者によって補助が要求されたとき、例えば、関節を伸ばす間、弾性材料は、身体に対して仕事を行ってもよい。
【００７５】
重力に逆らって身体部分を位置付ける際に使用者を補助しながらエネルギを解放することは、関連する足または腕の重量を補償することを助け、装置のエネルギ消費を減らしまたは特に大きな電池を提供する必要性を減らし、電気回路および／または電気モータなどにおける熱負荷を減らす。
【００７６】
少なくとも幾つかの能動的構成部材は、通常、その自重または別の連結された身体部分の重量に逆らって身体部分を動かすかまたは維持する筋肉を補助するために配置されることに留意すべきである。例えば、上腕を持ち上げるために補助が提供される場合、手および前腕の付加的な重量を考慮する必要があることがある。
【００７７】
上述したように、柔軟な装着型筋肉補助装置の使用は、第１の身体部分が１つの関節のみを介して第２の身体部分に直接的に連結されている場合に制限されない。例えば、下腿を動かす筋肉群が特に弱いために、脛または下腿の動きに大きな補助が与えられる必要がある場合、本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置の使用者が、下腿の位置および大腿の位置の両方を変化させるかまたは維持することを助けることがさらに有用かつ合理的であることがある。
【００７８】
能動的構成部材が、膝および股関節の両方の角度位置を変化させるかまたは維持するようにも適応されている場合、１つのアクチュエータのみを使用することが好ましい。下腿だけのために補助を必要とする患者の第１のグループと、下腿および大腿の両方を動かすために補助を必要とする使用者の第２のグループのために、同じ柔軟な装着型筋肉補助装置を使用することができる。
【００７９】
非常に好ましい実施の形態では、腱は、１つまたは複数の低摩擦シース内に案内されており、そのうちの少なくとも幾つかは、ガーメント部分のうちの少なくとも１つに部分的に取り付けられている。言い換えれば、シースは、腱が延びている場所を規定する形式でガーメント部分に固定される。したがって、シースをガーメント部分に接続することによって、エクソスーツまたは本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置を装着することがより容易になる。また、腱は、正しい場所に容易にとどまる。
【００８０】
非常に好ましい実施の形態では、腱は、たるんだシース内に案内されており、そのうちの少なくとも幾つかは、好ましくは、ガーメント部分のうちの少なくとも１つに少なくとも部分的に取り付けられている。たるんだシースを使用することができる。なぜならば、腱は引っ張られる必要があるだけであり、アクチュエータから、動かされる身体部分における終点まで押付力が伝達される必要がないからである。
【００８１】
言い換えれば、他のエクソスーツのために一般的なボーデン（bowden）ケーブルを使用する必要がない。このようなボーデンケーブルは剛体であり、したがって、通常は不快感の原因である。一方向にのみ、すなわち引っ張ることによって補助を提供する腱の使用は、特に能動的構成部材および受動的構成部材の両方を提供することによって可能であり、好ましい実施の形態における受動的構成部材は、作動した腱の効果に対して拮抗する力を提供することができる。
【００８２】
アクチュエータのうちの少なくとも１つのためにおよび／または少なくとも１つのアクチュエータのための電池のために剛体のキャリヤプレートを提供することが可能であり、かつ好ましい。アクチュエータおよび電池の双方は、かなり重く、本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置のガーメントまたはその他の部分よりも高い密度を有している。したがって、重量および使用者の身体に対するあらゆる圧力が、好ましい配置で大きな面積にわたって均一に配分されるべきである。これは、前述のキャリヤプレートを使用して達成することができる。
【００８３】
非常に好ましい実施の形態では、アクチュエータは、電気モータである。電気モータの使用は、重量およびコストを節約する。好ましい実施の形態では、センサ配列から導き出される信号に応答して１つまたは複数のアクチュエータを作動させるために配置された１つのアクチュエータ制御装置が設けられている。このセンサ配列は、第１の身体部分と第２の身体部分との間に存在する関節の角度の少なくとも１つを示す信号を生成するように適応されている。第１の身体部分と第２の身体部分との間に２つ以上の関節が存在する場合、複数の関節または各関節の角度が求められてもよい。さらに、関節の絶対角度または絶対角度の変化を測定することができる。さらに、第１の身体部分の絶対移動および／または第２の身体部分に対する第１の身体部分の動きを測定することができる。第２の身体部分に対する第１の身体部分の動きが測定される場合、複数のセンサを提供することが必要または有用であることがあり、少なくとも１つのセンサが第１の身体部分に設けられ、別のセンサが第２の身体部分に設けられることが理解されるであろう。
【００８４】
また、単に第１の（補助される）身体部分の動きを測定するのではなく、例えば、使用者の体幹が揺れ動いているか否かを検出するために、他の身体部分の動きからアクチュエータの制御のための信号を導き出すことが可能であってもよい。
【００８５】
次いで、動きまたは位置の両方に関連した身体の部分における圧力および／または第１の身体部分の位置を検出することができる。例えば、本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置が、歩行しているときに使用者を補助するために機能する場合、足底における圧力配分が検出されてもよい。これは、足が現在地面から持ち上げられているか否か、一定の圧力が観察されるか否か、使用者が静止状態で立っていることを示す一定の圧力または一定圧力配分、を特定するために用いることができる。
【００８６】
一方または両方の足底における全体圧力の測定を導き出すことができる場合、所定の使用者が足を地面に着いているか否か、使用者が座っているか否か、または使用者が立っているか否かを区別することができる。
【００８７】
また、圧力配分を特定することおよび／または圧力があるしきい値を超えていることを特定することで、立ち上がる、座る、立っているまたは歩行しているときの特定の段階を識別しかつ区別することができる。
【００８８】
特に好ましい実施の形態では、柔軟な装着型筋肉補助装置が、足を地面から持ち上げることを補助する形式で歩行を補助するために使用される場合、足を地面から持ち上げるための補助は、好ましくは、他方の足が地面に十分にしっかりと接触していることが決定された場合にのみ提供されることに留意されたい。これは、センサ信号の解釈が困難であり、使用者が転倒する、座っているときに椅子の上で倒れることなどを防止するために、アクチュエータを作動させかつ／または解放する前に、使用者の現在の姿勢の明らかな理解が得られなければならない場合に特に有用である。
【００８９】
様々な異なる身体部分、様々な異なるパラメータなどに関する様々な異なるセンサ信号を生成する複数のセンサを含むセンサ配列が、姿勢を特定し、これにより、アクチュエータを適切な形式で制御するために有用であり得ることが理解されるであろう。
【００９０】
センサ配列が、複数のセンサを有しかつさらに対応する信号調整回路および１つまたは複数のアナログ／デジタル変換器を有する場合、アクチュエータ制御は、例えばマイクロコントローラ配列のためのソフトウェアとしてのデジタル回路を使用して実施することができる。
【００９１】
センサ配列は、センサアレイであると解釈しかつ理解することができるが、センサを正確なコラム、列などに配置する必要はないことが当業者によって理解されるであろう。
【００９２】
また、複数の異なるセンサ、例えば、モーションセンサ、３軸加速度計および慣性測定ユニット（ＩＭＵ）のグループからの異なるエレメントのうちの少なくとも２つを有するセンサ配列を使用することができる。
【００９３】
センサは、再現性のある条件下で良好な信号対ノイズ比を生じるが、柔軟な装着型筋肉補助装置が柔軟であり、かつセンサがスーツの柔軟な、したがって動く部分に取り付けられていることに部分的に起因して、使用者の現在の位置または姿勢を特定するときの大きな不確実性が残る場合があることが理解される。したがって、あらゆるセンサ測定が不利に影響される可能性が存在し、ゆえにこのようなばらつきを修正するために注意が払われなければならない。それにもかかわらず、スーツは、日常生活の様々な仕事および活動のために使用されると特に好ましく、したがって、制御回路は、好ましくは、所与のストライド、スタンス、姿勢などを特定し、センサ信号に応答して、高い確実性で歩行中のスタンスまたはスイング段階を特定するように適応されている。
【００９４】
複数の異なる行動のうちの１つを特定するために、本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置を装着している間に使用者を補助することができ、かつ／または特定された周期的な動きの段階を特定するために、大腿、脛、足、股関節または膝などの身体の特定の部分の角速度のゼロ交差を検出することおよび／またはこのような身体部分の組合せの角速度のゼロ交差を検出することが好ましいことに留意すべきである。
【００９５】
このようにして導き出されたデータの誤解釈を回避するために、角速度の符号を変化させた後に得られる角速度がゼロ角速度と十分に異なりさえすれば、ゼロ交差が生じたと仮定されてもよいことが理解されるであろう。検出のこの好ましい形式は、ある歩行速度における複数の交差、振動および揺れ動きなどによる複数のゼロ交差による問題を回避する。本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置は、好ましくは、制御装置を有しており、この制御装置は、所定の関節のための許容された所定の上側および下側角度を記憶するように適応させることができ、現在の関節角度または関節角度変化を示すセンサ情報を、記憶された上側および下側の許容される関節角度と比較し、これにより、関節に害を生じる形式でのアクチュエータの作動を防止するように適応されていることに留意すべきである。身体部分、例えば足のモデルを規定し、歩行サイクル（または、より一般的に動きサイクル）の間のあらゆる所定の段階または期間における異なる許容されたまたは有効な関節角度を導き出すことができ、この結果、制御装置は、特定のモデルから求められた１つまたは複数の関節のためのこれらの変化する上側および下側の角度に応答してアクチュエータにエネルギを供給するように適応させることができることも理解されるであろう。このようなモデルから導き出された範囲は、使用前に記憶することができるし、または現在の許容された上側および／または下側関節角度を求めるために作動中に計算することができる。
【００９６】
本発明の別の態様によると、本発明の好ましい実施の形態では、使用者に対する補助の間に電気信号を介して制御可能な少なくとも１つのエレメントと、補助のための使用者の要求を示す信号を提供するように適応されたセンサ構成部材と、センサ構成部材によって提供されかつ補助のための使用者の要求を示す信号に応答して補助の間に電気信号を提供するように適応された制御装置とを有する、柔軟な装着型筋肉補助装置が提案される。このような柔軟な装着型筋肉補助装置は、センサ構成部材が、少なくとも第１および第２のセンサを有し、両センサは、四肢または四肢の一部の絶対的な向き、身体の別の部分に対する四肢または四肢の一部の向き、関節角度、身体部分の位置、速度または加速度のうちの少なくとも１つを示すセンサ信号を提供するように適応されており、第１および第２のセンサは互いに離隔しており、使用時に、少なくとも１つの関節が第１および第２のセンサの間に存在するか、または第１および第２のセンサが隣接する関節に提供されており、信号調整回路が設けられており、それぞれのセンサ信号の少なくとも２つの流れを制御装置へ入力するように配置されており、センサ信号の第１の流れが、身体部分の動きの１つのサイクルの間に、第１のセンサからのセンサ信号に応答してセンサ信号の少なくとも１０の異なる値を提供し、センサ信号の第２の流れが、身体部分の動きの１つのサイクルの間に、第２のセンサからのセンサ信号に応答してセンサ信号の少なくとも１０の異なる値を提供し、制御装置は、周期的動きの間に両流れからの複数の値を評価することによってセンサ信号の少なくとも２つの流れに応答して補助のための現在の要求を特定するように適応されているように、構成されている。
【００９７】
異なるセンサからの信号を評価することで、使用者が現在行っている日常生活の行動を特定することを助ける。さらに、１つの値ではなく流れを評価することで、使用者が現在行っている行動の段階の特定を可能にする。これは、行動の典型的な進行からの逸脱の特定も可能にする。例えば、使用者が動きを止めること、または例えば通りを歩行しているときに自転車を避けるために使用者が動きの間に突然反応することを、容易に検出することができる。データストリームの助けによるこのような逸脱の特定は、非常に迅速な反応を可能にする。
【００９８】
典型的に、データストリームは、少なくとも１０Ｈｚのサンプルレートを有する。これは、例えば、歩行段階を大雑把に評価するために十分である。しかしながら、より高いサンプルレートが好ましく、典型的に５０〜１００Ｈｚのレートが好ましい。特に、ゼロ交差が考えられる場合、より高いサンプルレートは、より長い時間待機する必要なくまたは早期に反応する必要なく、ゼロ付近の単なる変動から本当のゼロ交差をより良く区別することを可能にする。数百Ｈｚより高い、例えば４００Ｈｚより高いサンプルレートは、通常、行動の特定においていかなる利点ももたらさない。
【００９９】
関節角度が、ＩＭＵなどの適切なセンサを使用して直接的にまたはその他の測定から間接的に求められる場合、角度そのもの、角速度、角速度のゼロ交差および／または角加速度を考えることができる。十分に高いサンプルレートは、十分な精度での角速度および角加速度の両方の計算を可能にする。特定の行動の特定または行動の特定の段階の特定は、例えば、角速度、角速度のゼロ交差および／または角加速度のうちの１つのみに依存する必要はないことに留意すべきである。むしろ、関節または四肢の角速度が小さな値を有することが検出された場合、代わりに絶対角度を使用することが好ましいことが分かった。このように、特定の行動またはその段階を求めることは、例えば、センサが、内側に位置する筋肉の緊張により動く大腿に取り付けられている場合に生じるセンサの振動などを受けにくい。脛の近くに取り付けられたセンサによって測定するとき、より少ないばらつきが観察されることが理解されるであろう。
【０１００】
しかしながら、脛骨の近くに取り付けられたセンサを使用するときでさえ、センサ信号は、例えば、足の着地の衝撃により、障害を生じることがある。また、特に、使用者が自分の筋肉を使用して開始した現在の行動が特定されるとき、このような特定は、既に周期的な動きの早期段階の間に十分な補助を提供するためにできるだけ迅速に行われるべきであることに留意すべきである。
【０１０１】
ここで、大腿に取り付けられたセンサ、特に角変位、角速度または角加速度を検知するセンサが、より大きなばらつきを生じた信号を生じやすいという事実にもかかわらず、大腿にセンサを取り付けることが有利である。なぜならば、大腿は、ストライドの早期段階の間にその向きのより大きなばらつきを生じるからである。したがって、歩行、椅子に座る、椅子から立ち上がる、立っている、階段を上がるまたは下りるなどの足を伴う行動を補助するために使用される本発明の柔軟な装着型筋肉補助装置およびこのような柔軟な装着型筋肉補助装置のための特定の好ましい制御のために、少なくとも１つのセンサが、（例えば地面または股関節に対する）角度または大腿の向きまたは大腿の角速度または角加速度のうちの少なくとも１つを示す信号を提供する場合、通常は好ましい。また、このような信号が大きなばらつきを生じるとすると、信号をフィルタリングするかつ／またはゼロ交差などの、特定のしきい値の交差を検出することが好ましい。
【０１０２】
フィルタリングは、バターワースフィルタなどの、全くまたはほとんど遅延のないフィルタによって行われてもよい。この周期的行動の間に所定の配列によって理論的に可能な周期的行動の長さおよび／または能動的サポート段階の長さに関して短い場合、遅延は、本発明の目的のために十分に小さいと考えられる。可能な能動的サポート段階は、その間に所定のアクチュエータが実際に物理的な意味における仕事を行ってもよい段階である。制限された数の能動的なアクチュエータを有する柔軟な装着型筋肉補助装置は、行動サイクルの１つの特定の部分の間に、例えば足を持ち上げるとき、柔軟な装着型筋肉補助装置の所定の機械的配列が、その能動的な構成部材を使用する他の段階の間に仕事を行うことを許容しない間、仕事を行うために使用されてもよいことが理解されるであろう。
【０１０３】
典型的には、可能な能動的サポート段階は、ストライドなどの周期的な行動の長さの少なくとも１０％だけ続き、好ましくは、サポート段階は、その段階の少なくとも１５％、特に少なくとも２０％だけ続く。したがって、遅延は、歩行がサポートされているときにはストライドの１０％、ストライドの７．５％またはストライドの５％よりも長く続くべきでなく、または別の周期的な行動がサポートされる場合、１０％、７．５％または５％よりも長く続くべきでない。
【０１０４】
異なる行動のために、異なる形式のサポートが必要とされる、すなわち、異なるアクチュエータおよび／または構成部材によって加えられる力のタイミングおよび／または強度が異なることに留意すべきである。特定の周期的な行動が、モーションセンサ、ＩＭＵなどの複数のセンサからの信号を参照することによって特定されると、必要とされるサポートは、モデル、好ましくは身体サイズ、（脛および大腿の長さなどの）身体部分のサイズ、冠動脈問題などの健康条件、呼吸問題、一般的な健康度などの、所定の使用者に特定のあるパラメータを考慮するモデルに基づき予測することができ、このモデルに基づき、制御装置は、アクチュエータの作動を制御するための十分な信号を生成しかつ出力することができる。センサ信号に基づき、使用者が現在、歩行などのある行動に関与していることを特定した制御装置の出力は、次のサイクルのためのモデルに従って必要とされるような補助を提供するためのようなものであってもよいが、制御装置は、例えば使用者が加速／減速する、階段を上り始めるなどにより、制御装置に入力される現在の調整されたセンサ信号に基づいてサポートが変更される必要があるか否かを継続的にチェックする。また、ある条件が満たされた場合にのみ新たなサイクルのためのサポートをトリガすることができる。例えば、歩行時に補助を提供するとき、危険な状況を回避するために、使用者が、ストライドのスイング段階の間に地面から前もって持ち上げられた足を、地面にしっかりと戻したことを検出した場合にのみ、新たなストライドの支持を開始することが望ましい。
【０１０５】
したがって、周期的な行動の初期サイクルの間の補助は、特定の行動の特定の後にサイクルの間に提供される補助、およびアクチュエータの作動に関連する適切なモデルまたはモデル化されたパラメータの決定の特定および選択とは、僅かに異なっていてもよいことが理解されるであろう。検出遅延は、少なくとも後続のサイクルのために条件が満たされる場合、短いと考えられてもよい。
【０１０６】
典型的かつ好ましい実施の形態では、例えば、トルクを加える腱に加えられた引張力によって、サポートは、サポート段階の間、単にアクチュエータとして使用される電気モータをオンまたはオフに切り替えることによってではなく、モータによって発生するトルクを制御された形式で徐々に変化させることによって（すなわち、少なくとも２つの異なる中間ステップ、好ましくは少なくとも４つの中間ステップを介してデジタル制御が実施される場合）、制御されてもよく、トルク（またはモータ動力）を、能動的サポート時間の２５％〜３３％などの少なくともある程度の時間にわたって非ゼロとゼロサポートとの間で変化させることが留意されるであろう。このようにして、使用者は、急激な動きのサポートを体験せず、こうして使用の快適性を高める。そうするために、周期的な動きの実際の段階が好ましくは知られるべきであることに留意すべきである。また、特にハンディキャップを持つ使用者が補助される場合、障害物（微小でさえある）との遭遇、転倒、予想されない揺れ動きなどの予測されない事象に対する反応を許容するために注意が払われるべきである。
【０１０７】
したがって、現在の動きの段階を求めるためのみならず、全身または１つまたは複数の身体部分の現在の動きおよび／または向きもしくは加速度の実際の決定を示すセンサ信号に応答するためにかつ、このようなセンサ信号に応答してアクチュエータを調整および／または作動させるように制御装置をさらに適応させるために、延長した能動的サポート段階を提供することが非常に好ましい。
【０１０８】
また、仕事を行うことなしでも、能動的なアクチュエータによるサポートまたは補助がより長くまたはより短くなるように、制御装置を使用して能動的構成部材の腱の繰出しを時間合わせすることもできる。繰出しを許容する以外に、アクチュエータを、ある時間の間だけ腱の長さを維持するように制御することもできる。電気モータの軸の回転角度を測定するためにエンコーダが設けられている場合、腱の長さを評価することができることに留意すべきである。
【０１０９】
サイクルの速度に制御装置の応答を適応させることが有利であることにも留意すべきである。例えば、より速く歩く使用者は、能動的サポートのより短い段階および時間においてより頻繁なサポート段階を必要とするのみならず、サポート曲線の異なる延びも必要とする（すなわち、例えば、電気モータに適用される動力は、適切にスケーリングされているとしても異なる）。また、センサ信号に対する制御装置の応答は、サイクルの速度とともに変化させることができる。なぜならば、例えば、通常よりも速いまたは遅い速度で歩行しているとき、足先の着地または足先の持上げの決定などのための条件を変化させるために、許容される関節角度の範囲を変化させることが必要である場合があるからである。したがって、使用者が実行する周期的な行動の速度を求めかつアクチュエータの作動中に許容される関節角度のパラメータ範囲、または足着地事象もしくは足持上げ事象の決定のための条件、またはサイクルの所定の段階の間のアクチュエータの作動の強度、のうちの少なくとも１つを適応させるように、制御装置が適応されていると好ましい。このようにして、障害のある人のためのサポートが著しく改善される。
【０１１０】
したがって、歩行中のストライドの時間などの周期的行動のサイクル時間の約１０％未満、好ましくはこのサイクル時間の約５％未満、特にそれぞれ３、２および１％未満よりも長くない場合、遅延は短いと考えられてもよい。能動的なサポート段階が、遅延により、可能な能動的サポート時間の２５％よりも多く、好ましくは能動的サポート時間の２０％未満、特にサポート時間の１０％、５％または２％未満だけ短縮されないと好ましい。補助を必要としているが、概して僅かなサポートを必要とする患者のためには、能動的サポート時間のよりシビアな短縮が許容可能であってもよいことが留意されるであろう。また、能動的サポート段階の間に柔軟な装着型筋肉補助装置によって実行可能な仕事が、時間とともに変化してもよく、実際のサポート時間が、可能な能動的サポート時間の初期の１０％をサポートしないことによって短縮されるとしても、行われる仕事の観点からの全体的な有意のサポートが得られてもよいことに留意されたい。
【０１１１】
条件、すなわち能動的サポート時間の許容できる短縮または行動サイクルの長さに関連した遅延のいずれかが満たされる場合、または両条件が同時に満たされる場合、遅延は十分に短いと考えられてもよい。
【０１１２】
信号をフィルタリングするとき、３次または４次のフィルタなどの、より高次のフィルタが好ましい可能性がある。典型的に、フィルタは低域フィルタである。なぜならば、周期的行動は、かなりゆっくりであるからである。遮断周波数は、３０Ｈｚ未満であってもよく、２０Ｈｚまたはさらには１０Ｈｚなどの、さらに低い遮断を有することが好ましい。しかしながら、低すぎる遮断周波数を使用することは、典型的なモデル挙動からの意図したまたは必要とされる逸脱を示す信号を抑制する。したがって、５Ｈｚよりも高い、好ましくは少なくとも１０Ｈｚの低い遮断周波数を有することが好ましい。センサ信号の全てまたは幾つかのみがフィルタリングを受けてもよく、異なるセンサと共に異なるフィルタが使用されてもよいことに留意すべきである。
【０１１３】
次いで、制御装置は、周期的行動の異なる段階の間に異なるセンサまたはセンサ信号に応答するように適応されていてもよいことに留意すべきである。例えば、使用者に、歩行中の補助が提供される場合、制御装置は、大腿の角速度のゼロ交差の検出に応答して次のサイクルを開始することができ、次いで、脛の角速度に応答して当該サイクルの間のアクチュエータの作動の強度を求めることができる。このようにして、新たなストライドの開始に対する迅速な反応と、複数のストライドにわたる、ばらつきのより少ない、正確にタイミングが合わせられた補助とを得ることができ、使用者の体験を改善する。
【０１１４】
また、使用者の両方の足または足部分から得られたセンサ信号に応答してスタンス段階が確実に特定された場合にのみ、制御装置は、次のストライドに対する補助を開始してもよい。
【０１１５】
制御装置は、Ａ／Ｄ変換後にデジタル式にまたはアナログ回路を使用することによってフィルタリングを実施するように適応させることができる。
【０１１６】
あるセンサ信号は、言及した効果により、ノイズまたはばらつきを生じやすいので、制御装置が、検出されたあるパラメータの現在の値に依存して、異なるセンサ信号に応答すると好ましい場合がある。例えば、角速度が７０°／秒よりも小さい、好ましくは６０°／秒よりも小さい、特に５０°／秒よりも小さい場合、大腿の角速度は、高すぎるノイズレベルを生じるものとして無視することができる。大腿の角速度がこのしきい値よりも低くなると、代わりに角度が考慮されてもよい。また、絶対角度のゼロ交差を考慮するとき、ゼロ交差が確実に生じたと考えられる前に少なくとも１回超過されなければならない、ゼロ以外の値を規定することが有用であることがある。
【０１１７】
したがって、上記に開示されたものは、１つの態様では、少なくとも２つのガーメントエレメントと、２つの隣接するガーメントエレメントの間に取り付けられた少なくとも１つの受動力エレメントとを有する、重力に逆らって使用者の四肢を支持するための装置であると考えることもでき、このような装置は、少なくとも１つの能動的エレメントを有する。
【０１１８】
本発明の１つの態様は、発明をこのような態様に限定することなく、筋肉が弱い患者の生活の質を改善することを目的とする解決手段のための装置が、受動的エレメントに基づくことができ、かつさらに外骨格の強度とエレメントの付加的な層としてのエクソスーツとを組み合わせることができるという洞察に基づくものとして見ることができることに留意すべきである。この態様による装置は、装着型の軽量の低コストの解決手段を使用して日常生活の行動を行うときに、あらゆる四肢、すなわち両足および両腕のために使用可能である。
【０１１９】
この態様では、重力に逆らって使用者の四肢を支持するための装置は、少なくとも２つのガーメントエレメントと、２つの隣接するガーメントエレメントの間に取り付けられた少なくとも１つの受動力エレメントとを有する。好ましくは、この態様では、受動力エレメントは、ストレッチバンドまたはばねである。ガーメントエレメントは、関連するガーメントエレメントを所定の位置に維持する収縮エレメントを有することができ、収縮エレメントは、基本的に、関連する四肢部分の長手方向軸線に対して垂直に向けられている。このような収縮エレメントは、特に内側ガーメント層において、コルセットの形式で設けられかつ取り付けられたケーブルであってよい。次いで、ガーメントエレメントは、使用者の皮膚と、関連する四肢部分の長手方向に対して垂直に向けられていてもよいガーメントエレメントの収縮エレメントとの間に設けられた、剛性誘発プレートおよび／または滑りプレートを有することができる。
【０１２０】
この態様または実施の形態の装置は、さらに、１つのガーメントエレメントに取り付けられかつ引張力アクチュエータによって作動する腱を有する少なくとも１つの能動的サポートを有することができ、腱は、少なくとも一方の隣接するガーメントエレメントへ案内されており、この態様では、全ての１つの引張力アクチュエータのために、関連する腱部分への拮抗する受動力エレメントである受動力エレメントが存在する。
【０１２１】
このような装置は、この態様または実施の形態では、低摩擦シース内に案内された腱を有し、これらのシースは、好ましくは、少なくとも部分的に、対応するガーメント部分に取り付けられている。この態様における各腱は、通常、第１のガーメント層のための矢状面に関して使用者の身体の一方の側に案内され、次いで、２つの部分に分離され、これらの２つの腱部分は、関連する四肢の前額面の互いに反対側に案内され矢状面の反対側において１つの単一の腱に再び統合され、隣接するガーメント層上に案内される。これは、歩行している間または座った状態から立った状態へとスタンスを変化させる間、股関節の主軸線が大腿を持ち上げるのに対し、脛は大腿に対して下降し、したがって、人間が垂直に立ち上がるのを助けるために、腱は、膝の前側に、しかしながら股関節の後側の背後に案内されてもよいのに対し、膝の上のより強いストレッチバンドは膝の背後にあり、大腿のためのより強いストレッチバンドは人間の前側にあり、ストレッチバンドが好ましくは膝の前側でかつ股関節の背後に設けられているか否かにかかわらないことによるものである。せん断力を回避することが有利であるので、対応する四肢部分の長手方向軸線の主方向の方向に腱が滑ると好ましい可能性があり、好ましくは、ガーメントエレメントは、使用者の皮膚と腱との間に設けられた滑りプレートを有する。せん断力をさらに減らすために、滑りプレート上で腱または腱部分を十字形またはジグザグパターンで案内することができる。
【０１２２】
好ましくは、この態様または実施の形態によれば、各引張力アクチュエータは、１つの隣接するまたは反対側のガーメント層エレメントに取り付けられているまたは案内方向変更エレメントは、隣接するまたは反対側のガーメント層エレメントに取り付けられており、関連する腱を案内しており、したがって、引張力アクチュエータを次いで装置のあらゆる場所に固定することができる。
【０１２３】
本発明の１つの態様によれば、装置は、制御ユニットと、ガーメントエレメントのうちの１つに取り付けられた少なくとも１つのセンサとを有することができ、少なくとも１つのセンサは、鉛直に関してガーメントエレメントに関連した四肢部分の角度を検出するように構成または適応されており、かつ／またはセンサは、ガーメントエレメントに関連した四肢または四肢の部分の動きおよび／または角度もしくは角速度の変化または角度もしくは角速度の値を検出しかつ／または測定しかつ／または特徴づけるように構成または適応されており、制御ユニットは、四肢部分の動きおよび／または角度変化をサポートするために少なくとも１つの引張力アクチュエータを制御するように適応されている。制御ユニットは、好ましくは複数の関節のために、好ましくは全ての関節のために、認可された所定の角度インターバルおよび／または許容された上側および／または下側の値を記憶し、かつ好ましくは関節のグループのために所定の角度インターバルを記憶し、これらのインターバルは好ましい実施の形態では例えば歩行または動きの段階または動きの速度とともに変化し、制御装置は、例えば装置を装備した使用者の転倒を回避するために、全てのまたはある関節のためのセンサ情報を、記憶されたインターバルまたは限界と比較し、角度値が所定のしきい値またはインターバルのうちの１つから外れた場合、引張力アクチュエータをブロックするように適応されている。
【０１２４】
１つまたは複数の実施の形態または態様によるシステムが、使用者の要求にしたがってその剛性および／またはサポートのレベルをダイナミックに適応させるように適応された多層、好ましくは３層構造を使用すると有利である。各層はそれ自体、発明である特徴を有していてもよく、明細書を通じて説明されるように独立したソリューションにおいてまたは３つの層のうちの２つのソリューションにおいて使用されてもよい。
【０１２５】
好ましい態様によるガーメントの１つの利点は、特に、せん断力の最小化に依存する。なぜならば、これらのせん断力は、痛みおよび不快感を生じる可能性があるからである。また、好ましい態様によるガーメントの１つの利点は、例えば重力に逆らって補助を提供する法線力の最大化に依存する。さらに、この設計により、補助力が、エクソスーツにおける歩行サイクルの特定の段階の間に適用される力の小さなバーストより大きくなることを可能にし、代わりに、足または腕の両方のための使用者の動きを通じてまたは少なくとも動き期間またはサイクルのより長い部分にわたって適用されることを可能にする。
【０１２６】
３層装置は、外骨格の連続的な補助にエクソスーツの可撓性インターフェースを提供するために、エクソスーツおよび外骨格技術の両方の利点を融合してもよい。しかしながら、従来のエクソスーツと異なり、好ましい態様による装置は、不快感を生じる可能性があるせん断力を最小限にし、補助を提供する法線力を最大化する。連続的な補助のレベルを制御することにより、装置は、重力に逆らって動く（例えば、椅子から立ち上がるまたは髪をとかすために腕を持ち上げる）ときおよび倒れることなく重力とともに動く（例えば、椅子に座っているまたは物を棚から下ろす）とき、使用者をより良くかつより容易に補助することができる。
【０１２７】
本発明の１つの態様による多数連結層構造は、重力に逆らって能動的に補助し、最小限の数のアクチュエータで使用者に安定性を提供する。
【０１２８】
好ましい態様の装置は、独立してまたは組み合わされて使用されるための３層構造、すなわちベース層、靭帯層およびパワー層を実装する。
【０１２９】
ベース層は、好ましい態様では、使用者の皮膚に面しており、使用者に一日中快適性を提供するように設計された快適なガーメント状感覚を提供する。この層は、温度および湿度制御を最大化する通気性材料を使用してもよい。
【０１３０】
好ましい態様の靭帯層は、身体における靭帯に似ており、可動性のための使用者の要求に依存して、変化するサポートレベルおよび受動的な抵抗を提供する。
【０１３１】
最後に、好ましい態様のパワー層は、身体の筋腱設計から借用しており、使用者の関節を横切って案内されかつ好ましくは力制御されたモータによって作動する一連の腱のような腱を使用する。
【０１３２】
１つのシステムに組み合わされたとき、好ましい態様の３つの層は、生体関節の周囲の剛性を調整し、このようにして、剛性フレームが存在しないで構造的安定性を提供するために、筋肉の拮抗する対と同様に働く。人間の関節の周囲の剛性を人工的に増大させることによって、装置は、筋肉共収縮を真似ることができ、これはひいては安定性を提供する。
【０１３３】
好ましい態様のベース層は、服を着たまたは服を着ていない人体に対する直接的なインターフェースであり、靭帯およびパワー層のための基礎を構成する。せん断力は、痛みおよび不快感を容易に生じる可能性があるので、この層は、せん断力を最小限にしかつ／またはせん断力を法線力に変換するように設計されている。これは、スーツのパワー層からのせん断力を、使用者の身体に作用する法線力に変換する、機能性織物および／または半剛性異方性プレートを一体化することによって達成することができる。ベース層は、好ましい態様では、補助の間に高い力レベルが要求されたときに自動的に締め付けるように配置された、パワー層の腱に対して垂直な、複数の腱または収縮エレメントを有する。ベース層は、剛性を適応可能に変化させ、広範囲の組織圧縮を回避しながら動きの間に生じる筋肉体積のあらゆる変化を補償するために、層ジャミングアプローチに基づき、一連の入口も有する。言い換えれば、能動的補助が提供されたときに締め付けるように適応されたボディインターフェースである。締付けは、筋肉活動、アクチュエータの作動および／またはその他の協働する構成部材によって、締付け手段の付加的な作動の必要なしに生じることができる。しかしながら、ベース層のボディインターフェースの複数の層（またはプライ）をジャムさせることによって締付けを誘発することも可能である。このジャミングは、このような入口を有するジャミング層が設けられている入口への適切な入力によって能動的に発生させることができる。適切な入力は、加圧された流体、正電荷などであってよい。この独特のアプローチは、システムの性能、使用者の快適性および全体的な安全性を高める。
【０１３４】
上半身において、ベース層の構造は、弱まった靭帯を補強するために使用されてもよい。例えば、肩甲骨において、ベース層は、それが必要である場合、筋肉から骨への力の伝達を高めるために、肩関節の剛性を増大してもよい。増大された剛性は、靭帯を支持することを助け、筋肉が、より小さな努力で力を加えることを可能にする。
【０１３５】
従来のエクソスーツと異なり、好ましい態様による装置は、高い力レベルを提供することができる。この高い力レベルは、典型的に幾つかの付加的な補助のみが提供されるとしても、極めて大きな範囲まで、使用者の筋肉弱さ要求に代わることができる。これは、特に、ベース層の特定の構造によるものである。
【０１３６】
好ましい態様における靭帯層は、例えば、股関節、膝、および／または足のための足首の関節および／または肩および／または肘および／または腕のための肘関節の近くまたはそれらに配置された弾性材料から成る。これは、好ましい態様による装置が、動きの間にエネルギを蓄えることを可能にし、このエネルギは、足および／または腕の重量を補償するために解放させることができる。
【０１３７】
最後に、パワー層は、主要な反重力筋肉を補助し、靭帯層に反対する。
【０１３８】
ベース層ならびにベース層および靭帯層の組合せは、使用者の可動性を高めるための解決手段を提供することができるが、最良の結果は、全ての３つの層を使用して達成することができる。
【０１３９】
本発明の幾つかの態様に従って提供される、拮抗する構造は、安定性を付加し、身体を安定化させかつ体幹のバランスを取ることを助ける。さらに、パワー層は、エネルギの一部を靭帯層に蓄えることができる。
【０１４０】
次いで、使用者が足のサポートまたは重量補償（例えば、スイング段階の間）または腕のサポートまたは重量補償（例えば、肘を伸ばすとき）を要求するとき、エネルギを解放することができる。
【０１４１】
腱は、一方の端部が電源（すなわち、アクチュエータ）に取り付けられるように、ベース層を通ってかつ／またはベース層に沿って案内されており、次いで、関節を横切って案内されかつ最終的にベース層に取り付けられた複数の腱に枝分かれしている。
【０１４２】
制御ソフトウェアの観点から、本発明によるパワー層を有する装置は、重力に逆らった継続的なサポートを達成するために関節の剛性を調整する、力に基づくプログラムされた制御装置を使用してもよい。
【０１４３】
制御装置は、使用者の姿勢および／または動きの意図または現在の動きを評価する形式で使用される、モーションセンサおよび力センサの配列または複数のモーションセンサおよび力センサを使用してもよい。この情報に基づき、装置のパワー層制御装置は、例えば、加えられる力および関節の剛性を調整することによって、どのように使用者の動きを最適にサポートするかを決定してもよい。センサセットアップは、ＩＭＵ（慣性測定ユニット）を、足の運動を測定するために足の脛および大腿セグメントに、腕の運動を測定するために上腕および前腕におよび体幹の動きを測定するために体の重心に有していてもよい。パワー層の力を測定するために、ロードセルが各腱に配置されてもよい。パワー層のモータ内のエンコーダは、アクチュエータのモータ軸の回転位置を継続的に測定してもよく、これにより、腱の長さを評価する。ロードセルおよびエンコーダの組合せおよび／またはエンコーダ信号のみは、システムにおける剛性および／または力レベルの微細な制御を可能にする。
【０１４４】
使用者を安定した位置に保つ以外に、制御される、好ましくは力制御されるシステムは、日常生活の行動中に使用者の要求に的を絞った特定の力プロフィルを提供することができる。言い換えれば、１つまたは複数の、調和して使用されるアクチュエータの作動は、日常生活の複数の行動のうちの１つまたは複数において選択的にサポートまたは補助するために制御することができる。
【０１４５】
好ましい態様による装置は、装置の所定の様々なバージョンを容易に許容することによって複数の使用者のための要求に対応することができる。使用者が、例えば装置の足のみ、腕のみまたは足および腕バージョンを選択することができるように、基本的な相違点が存在している。さらに、使用者は、スーツ／装置の非作動バージョン（ベース層および靭帯層）および作動バージョン（ベース層、靭帯層およびパワー層）を選択してもよい。要求に応じて、左側および／または右側を補助することができる。異なるサイズへの適応は単純である。全ての使用者のための全ての装置をあつらえることは絶対的に必要ではなく、使用者の要求の大きなばらつきにもかかわらず、少数の基本設計および／またはサイズの変更のみが必要とされることが理解されるであろう。
【０１４６】
１つの態様では、ボディインターフェースまたは「ボディ層」は、靭帯層およびパワー層と、人体との間のインターフェースを形成する。非作動層および作動層は、一緒にまたは別個に使用することができる。スーツの異なるバージョンの補助のレベルは、例えば、靭帯層における弾性エレメントの剛性およびパワー層の生体関節までの腱の距離を調整、制御または調節することによって調節することができる。
【０１４７】
リハビリテーションの観点から、一部の使用者は、スーツの非作動バージョンのみを使用することが有益である場合がある。これは、本発明による装置の最も軽いバージョンである。なぜならば、パワー層だけが、この実施の形態における重量の約７０％を補償するからである。装置の足のみバージョンの一例は、５ｋｇのみの重さであることが分かった。これは、２０１６年の市場における最も軽い外骨格の重量の優に半分未満である。体幹のバランスを取ること、直立安定性および重力に逆らう動きに関する優れた補助を、本発明の１つの態様による装置の電動式バージョンによって達成することができる。
【０１４８】
本発明による装置には、好ましくは常に、層内にまたは層上に一体化することができる複数のセンサが設けられている。このセンサセットアップは、好ましい態様に従って、装置の能動的層部分を制御することを可能にし、使用者を監視するために使用されてもよい。すなわち、その感度および／またはセンサ信号に対する応答は、好ましい態様では、あらゆるコンピュータ、タブレットまたは携帯電話を用いて容易にセットアップすることができる。これは、トレーニングの間または日常生活において装置またはスーツを使用する間に使用者の迅速な評価のために使用することもできる。好ましい実施の形態による装置の非作動バージョンにおけるセンサの数は、スーツによって提供される補助に著しく影響することなく、減らすことができる。腱において引っ張ることによって身体部分に力を加える作動に依存する能動的な補助は、あるスーツにおいては提供されなくてもよいが、例えば身体安定性を高めるために、例えばガーメントプライの制御された締付けを提供することがさらに可能でありかつ有用である場合があることに留意すべきである。
【０１４９】
本発明の好ましい実施の形態が、図面を参照して以下に説明され、図面は、本発明の現時点で好適な実施の形態を示すためのものであり、発明を限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明の一実施形態による３層装置を備える使用者の足の概略図を示している。
【図２】２つの異なる曲げ位置における、図１による３層装置の２つの概略図を示している。
【図３】図１の実施形態のパワー層によって加えられる力を示す、２つの別の図を示している。
【図４】本発明の一実施形態による装置内で使用される、サポート補助制御ユニットの図を示している。
【図５】図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、本発明の一実施形態の装置の異なる層のエレメントを示している。
【図６】前かがみ位置における使用者を示しており、図１と同じ力およびモーメントが説明されている。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、前額面および矢状面における、腕のための別の実施の形態による３層装置の２つの概略的な図を示している。
【図８】腕のサポートのための、本発明の別の実施の形態による３層装置を備えた使用者の胴の概略的な側面図を示している。
【図９】１つの関節において作用する概略的な作動原理を示している。
【図１０】受動層およびガーメント層を備えかつ能動的構成部材を有する関節のための一般的なシナリオを示している。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態による装置を使用しているときの、部分的に曲がった位置における足の概略図を示している。
【図１１Ｂ】より真っ直ぐな位置における、図１１Ａの足の概略図を示している。
【図１１Ｃ】本発明の一実施形態による装置を使用しているときの、部分的に曲がった位置における腕の概略図を示している。
【図１２】ガーメント層を介して達成される作動原理を示している。
【図１３】重力に反作用するために関節の剛性を高めるために使用されるための層のスタックの概略図である。
【図１４】スタンスおよびスイング段階の特定を含む、人間歩行の歩行サイクルを示している。
【図１５】座った状態から立った状態になるときのサイクルを示している。
【図１６】柔軟な装着型筋肉補助装置の可能な実施の形態のうちの１つにおける、矢状面に沿った力のアンカリングを示しており、この場合、力は、３つの層、すなわちガーメント層、靭帯層およびパワー層の間で配分され、肩から足先へ配分されている。
【図１７】せん断力を法線力にシフトさせるための力分配モデルの原理を示しており、側部において加えられる２つの接線方向の力（Ｆ）は、カフ状のシステムの構造によって、使用者に対する主に法線力（σn）に変換される。
【図１８】外部トルク（τgravity）と、関節に作用する使用者の筋肉のトルク（τmuscle）と、柔軟な装着型筋肉補助装置の寄与（τligament＋τpower）との組み合わせとしての、関節におけるトルク（τjoint）のモデルを示しており、関節に提供されるパワーの合計は、使用者によって行われる行動に基づいて、関節の角度が増大するかまたは減少するかに応じて正のパワー（Power+）または負のパワー（Power-）になるように調整することができ、概略図に示したように、この所与の関節の角度が減少するとき、エネルギが靭帯に蓄えられ（τligament）、関節角度が増大すると、エネルギが解放される。
【発明を実施するための形態】
【０１５１】
本発明は、一実施形態では歩行中に使用される、柔軟な装着型筋肉補助装置に関する。柔軟な装着型筋肉補助装置がどのように歩行中に使用者を補助することができるかを理解するために、図１４が有用である。図１４において、歩行サイクルの様々な段階の間の人間が側面図で示されている。歩行サイクルのある段階の間、膝および股関節の両方が同時に伸ばされることを見ることができる。特に、反対側の足の足先を持ち上げている間、股関節および膝の両方が完全に伸ばされる。股関節および膝を完全に伸ばすことにより体幹が持ち上げられ、体幹と一緒に、頭および肩も持ち上げられる。膝および股関節を同時に伸ばすことによって伸ばされる足の筋肉は、したがって、歩行サイクルのこの段階の間、重力に逆らって体を持ち上げる物理的仕事を行わなければならない。膝および股関節を伸ばす間に筋肉が仕事を行うことができない場合、筋肉は補助されなければならない。かなり大きな仕事が行われる段階（スタンス段階）の間に股関節および膝が同時に伸ばされるとき、この段階の間に弱い使用者の筋肉を補助することが有用であり、これは、アクチュエータからの力が股関節および膝の両方に同時に加えられる場合、１つのアクチュエータを使用して行うことができる。
【０１５２】
次いで、足が完全に伸ばされた後、反対の足が前方へスイングし（スイング段階）、体は、まだ地面に配置された足の大腿の前方へ移動する。これに対して、反対の足は、同時に、体の前方にある大腿を有する。したがって、大腿のうちの一方の角度は正の（例えば、前方の）角度であるのに対し、他方は後方の角度であると定義することができる。この形式で考えると、足で立っているとき、角度のゼロ交差が生じる。複数の角度、例えば、体幹／大腿角度、大腿／脛角度、股関節から足首までの角度などを規定することができることが分かり、これらは、複数のストライドの間に周期的に変化することも認められるであろう。装置のより良い理解のためにこのことを説明したが、以下は、本発明の特定の非限定的な実施の形態に関して説明される。図１４の下側部分では、歩行サイクルにわたる地面反応力が、センサ信号の一例として示されており、センサ信号は、サイクルの段階を特定するために使用することができる。
【０１５３】
柔軟な装着型筋肉補助装置が、座った状態から立ち上がるときにどのように使用者を補助することができるかを理解するために、図１５を見ることが有用である。図１４のように、図１５は、座った状態（０％）から立った状態（１００％）になるときの典型的なサイクルを示している。図１５には、関節角度（股関節および膝）、速度およびトルクが、典型的な動きについて示されている。図面は、柔軟な装着型筋肉補助装置の受動的および能動的なエレメントの寄与が示された、補助力の潜在的なプロフィルも示している。この補助パターンは、図１５の下部に示したように、動きの間は能動的な筋肉をサポートすることを目的とする。これらの筋肉は、主に股関節および膝関節の伸筋を含む。動き全体の大部分にわたって十分なサポートを提供するために、使用者が、座った状態から立ち上がることを意図していることを特定しかつアクチュエータの適切な作動によって腱に正確な力を加えることが必要である。
【０１５４】
図１は、本発明の一実施形態による３層装置を備える使用者の足１０の概略図を示しており、下肢の作動中の全ての生じる力を概略的に示している。ガーメント層は、股関節ガーメント１０１、大腿ガーメント１０２および脛ガーメント１０３を含む。まとめてガーメント層１００と呼ばれることもあるガーメント１０１，１０２および１０３は、コルセット状の服であり、一方の側で使用者の皮膚との接触を提供し、他方の側に受動層およびパワー層のための取付け箇所を提供する。
【０１５５】
受動層は、減衰エレメント、すなわち、股関節−大腿受動「層」２０１および大腿−脛受動「層」２０２を含む。受動層２００とも呼ばれることもあるこれらの受動層２０１および２０２は、その自由端部においてガーメント（層）エレメント１０１，１０２，１０３に取り付けられたストレッチバンドであってよい。ストレッチバンドは、次のようにプレストレスをかけられながら取り付けることができる。すなわち、座った使用者、すなわち股関節対大腿角度および大腿対脛角度が約９０度である使用者の場合でさえも、ストレッチバンドは張力を受けている、言い換えれば、バンドは最大長さを有しており、これにより、立ち上がる使用者のための復元力が提供される。各足のために受動層２０１，２０２としての１つのストレッチバンドを設けることができ、上側のストレッチバンドは、それぞれの前側で共通のヒップガーメント層１０１に取り付けられている。
【０１５６】
パワー「層」は、制御ユニット、パワーユニット、センサおよび各四肢のための少なくとも１つのアクチュエータを有するパワー層ユニット３１０を含む。この実施の形態のアクチュエータは、パワー層伝達腱３０１と接続されている。パワー層伝達腱３０１は、一方の自由端部においてパワー層ユニット３１０に取り付けられており、膝１２の前側において方向変化箇所３０２を回って案内され、ヒップガーメント層３０３の底部の周囲を案内され、最後に、腱の反対の自由端部では、ヒップ取付け箇所３０４においてヒップガーメント層１０１の上側部分に取り付けられている。
【０１５７】
パワー層は、ＦPowerと等しい力を加える。この力は、股関節１１および膝関節１２の剛性を高め、通常圧力段階を生じる。受動エレメント２０１および２０２ならびにそれらの比弾性剛性と組み合わされ、これらの力は、関節剛性調整の役割を担う。システムは、段階を対応して調節しかつ膝におけるモーメントアームを調節することによって目標特定不足に容易にセットアップすることができる。
【０１５８】
本明細書で説明するように、上半身のための別の装置と一緒に、下肢のための図１による装置を使用することができる。両部分は、同じパワーおよび制御ユニットを共有することができる。説明するようなセンサの独特のアレイまたは配列は、全ての関節関連角度を評価するために使用される。このようなシステムは、各四肢に１つずつ、両腕および両足における重力の影響を補償するためにモータを含む４つのパワー層ユニット３１０を有する。
【０１５９】
上述のように、図１の実施の形態の３層構造は、ベース層またはガーメント層、靭帯層または受動層およびパワー層から成る。構成は、最小限の数のアクチュエータで、かつ剛性フレームなしで、安定性および補助を確実に提供する。靭帯層およびパワー層の両方は、人体に対するインターフェースを形成するベース層に取り付けられている。この特定の実施の形態のパワー層は、脛の前側における遠位腱アクチュエータと、ここでは使用者の体幹の前側に設けられた主電源および制御ユニットとを特徴とする。アクチュエータおよび／または制御ユニットの両方を、他の実施の形態では他のところ、例えば、使用者の背中に支持されたプレートに配置することができることに留意すべきである。
【０１６０】
パワー層の腱３０１は、１つの可能な実施の形態では脛の前側に配置された腱アクチュエータにおいて始まっており、最適なサポートを提供するためにベース層内で複数回枝分かれしている。パワー層は、股関節および膝の伸びを能動的に補助する。パワー層は、日常生活の間に要求されるあらゆる動きを妨げない身体位置に配置された、モータ、プーリ、ＰＣＢおよび電池などの剛性の機械的および電気的構成部材を有する。この配置は、使用者が、例えば車いすに快適に座ることを可能にする。腱アクチュエータは、例えば最大で５００Ｎの高い力を提供する。靭帯層は、使用者によってまたはパワー層によって提供されるエネルギの一部を蓄えることができる受動的エレメントを特徴とする。これは、パワー層および靭帯層の拮抗する配置によって達成される。膝の背後により強い大腿−脛ストレッチバンド２０２が設けられているのに対し、膝の前側には、腱３０１が、方向変化箇所３０１上に案内されている。ヒップ−大腿ストレッチバンド２０１は、使用者の骨盤の前側に配置されているのに対し、腱３０１の対応する部分は、使用者の背後で腱ヒップ案内部３０３において通過している。この設計は、共収縮する筋肉を提供することが、安定性を提供するための関節剛性を高めるという洞察に従う。靭帯層の受動エレメント、すなわち２０１および２０２は、股関節および膝の曲げおよび足首の背屈をサポートするためにベース層、すなわち１０１，１０２，１０３に配置されている。靭帯の剛性は、ストレッチバンドの初期長さ変化によってまたはストレッチバンドを交換することによって使用者の要求に適合するように直接的に調節することができる。
【０１６１】
靭帯層の設計は、パワー層の力調整と組み合わされて、システムが、関節剛性を能動的に変化させながら、個別化された補助を提供することを可能にする。パワー層および靭帯層によって発生する力は、使用者の身体に到達する前にベースガーメント層によって法線力に変換される。ベース層自体は、せん断力を最小限にしかつ補助を提供する法線力を最大化するように、層の剛性を調整するエレメントを有する。下肢装置が生理学的関連力を加えることを保証するために、運動および意図検出のためのセンサのアレイまたは配列が装置に埋め込まれている。例えば、ＩＭＵは、足運動を測定するために足の脛および大腿セグメントに設けられており、加速度計は、上半身の動きを測定するためにヒップガーメント層に設けられている。
【０１６２】
脛ガーメントに取り付けられたパワー層ユニット３１０は、ベース層内で枝分かれした人工的な腱を巻き取ることによって力を発生させる、腱アクチュエータを有する。システムは、好ましくは、曲げ力を最小限にするように構造的に構成された、脛の前側に延びるプーリシステムと組み合わされたブラシレスモータを使用する。これを達成するために、腱アクチュエータは主に、軽量ポリマおよび複合材から成る。ダイナミックアクチュエータは、例えば、最大で５００Ｎの力を提供する。全ての埋め込まれたセンサと組み合わさって、確実な力制御および剛性調整を可能にするために、ロードセルがモータの近くに一体化されていてもよい。システムの過熱を防止するために、モータおよびその制御装置のすぐ上方にファンが配置されてもよい。システム温度は継続的に監視される。類似のアクチュエータは、上半身装置のために使用することができるが、好ましくは、所要の力がより小さいので、下半身のために使用されるもののスケールダウンされたバージョンである。
【０１６３】
図２は、２つの異なる曲げ位置における、図１による３層装置の２つの概略図を示している。同じ参照符合は、全ての図面を通じて同じ特徴を示している。下肢装置によって提供される力は、可動性に関与するもの以外にもモータシステムの部分に影響することができる。生理学的に正しい動きのパターンを維持するために、リンクセグメントモデルが、図１の装置に適用され、図２のようにここでは示されており、図２から、関節モーメントを生じるための外部モーメントアームと、パワー層の腱に対抗する拮抗ばねとの間の関係が存在することを見ることができる。加えて、使用者への力の確実な伝達を保証するために、分析は、使用者の軟組織と、装置の織物ベース構造との組み合わされた剛性の実験的に実証されたモデルを有する。
【０１６４】
図３は、図１の実施形態のパワー層によって加えられる力を示す、２つの別の図を示している。使用者は、僅かに曲がった足で地面１９に立っている。サポート制御ユニット（図示せず）は、使用者の姿勢を継続的に評価し、使用者の生体関節への重力の影響を計算する。Ｆy4およびＦx4は、股関節に加えられ、より大きな角度Trunkを回復する。膝において、平坦な地面１９を考慮して鉛直方向にＦy3がＦy2に対抗しているのに対し、水平方向でＦx2およびＦx3が加えられ、角度Thighおよび角度Legを矯正している。重力を補償するために、装置は、対応して腱力および剛性を調整する。最適な力プロフィルおよびシステム剛性は、各使用者に依存する。モーメントアームおよび弾性ばね定数ならびに使用者の身長および体重などのパラメータを、好ましくは、システムにプログラムすることができる。そうすることによって、システムは、特定の動きの不足を解決することができる。装置は常に特定の動きから独立して重力を補償するので、図４に示されたサポート補助制御ユニット４００は、あらゆる使用者入力から独立して作動する。加えて、システムは、重力制御装置に対して付加的な力を発生させるために、例えば、痙縮の効果を減衰させるために、使用することができる。崩壊などの突然の動きを、確実に検出しかつ防止することができる。システムは、歩行するまたは物を取ろうとするなどダイナミックな動きを補助しながらでも、静的に安定した位置に使用者を保つことを目的としかつ成功している。下肢装置は、伸筋である大殿筋、中殿筋、大腿直筋、広筋、腓腹筋およびヒラメ筋をサポートする。剛性フレームが存在しないときに構造的安定性を提供するために、システムは、関節剛性を増大するために筋肉共収縮を真似る。これは、受動層がモータ層に対抗する構造を使用して達成される。関節剛性の増大は、関節の動きを防止しまたは減らし、ひいては、関節の崩壊を防止する。パワー層は、人工的な靭帯によって提供される動きを間接的に制御することができる。これは、関節の動きを減衰させるための力を能動的に提供することによって行われる。
【０１６５】
図４は、本発明の一実施形態による装置内で使用される、サポート補助制御ユニット４００の図を示している。サポート補助制御ユニット４００は、４つの制御サブシステム、すなわち、関節角度評価、剛性調整、重力補償および能動的力調整から成る。ほとんどのセンサはベース層内に設けられている。これは、（脛および大腿における）ＩＭＵ４０１に関し、加速度計４０２の代わりに、（ヒップガーメント１０１の上側前端部において中央において）ＩＭＵを使用することができる。しかしながら、特にパワー層によって使用されるセンサも存在する。ロードセル４０３および腱長さ評価４０４はこの層の一部である。腱長さ評価装置４０４はエンコードカウンタ（ＥＣ）とも呼ばれる。なぜならば、ＤＣモータ４０５からの信号と、その（回転）位置とを受け取るからである。力制御されるシステムは、使用者の生体関節の剛性を調整し、装置の３層構造に付加的な力を加える。ＩＭＵ４０１によって発信された信号は、角度計算ユニット４１１における下肢の角度計算のために使用される。加速度計またはＩＭＵ４０２は、角度計算ユニット４１２における体幹の角度計算のために使用される信号を提供する。２つの角度計算ユニット４１１および４１２は、力評価ユニット４２０のための角度入力信号を提供する。力評価ユニット４２０は、四肢角度βlimbに働きかける関節モデルユニット４１４から提供されるβangleに関する入力と、ケーブル／腱長さの値から開始され、ユニット４０４において評価されかつ体幹ＥＣ補償ユニット４１６によって調整される、加算ユニット４１５から提供される位置情報と、ロードセル４０３に接続された圧縮および補償ユニット４１７から提供される修正値と、をさらに受け取る。体幹の位置に関して言及された角度および最も遠位のセグメント（装置の下肢実施形態の場合には脛、上肢実施形態の場合には前腕）の角度に関し、その上にフィルタおよびドリフト補償計算が存在する。関節モデルユニット４１４は、セグメント間角度（膝、肘）である最後の残りの角度（ベータ角度）を得るための役割を担う。
【０１６６】
力評価ユニット４２０は、腱３０１の長さおよび位置を短くし、長くしまたは維持するためにＤＣモータ４０５のための制御信号を提供する。これは、スケーリングサポート値４１８によって調整されるのに対し、最小力４１９は、プレストレスされたストレッチバンド効果に対抗するために提供される。ＩＭＵ４０１からの信号は、四肢角度計算を介して、ＦminとＦtargetとの間で信号を切り替える動き検出器４２１にも寄与する。ＩＭＵ４０１は、最も遠位の四肢セグメントの角度を測定し、フィルタリングされた入力として見ることができる。この値は、圧縮補償された角度評価のための本発明の一実施形態によるリンクセグメントモデルのための入力である。それぞれ足補助および腕補助のためにシミュレーションすることができるモデルの例は、例えば、図２、図３、図７ａ、図７ｂおよび図１８に示されている。受動「層」が、両方とも少なくとも２つのガーメント構成部材の間に延びておりかつ両方ともエネルギを蓄えるための弾性材料を含みかつ関節の互いに反対側に配列されている２つの別個の構成部材を有する限り、モデルにおいて考えられる弾性係数は、全体的な効果をモデリングするために対応して適応させることができるかつ／または付加的なエレメントをモデルにおいて考えることができることに留意すべきである。Ｆminは、腱を緊張させたままにしておくためのシステムにおける最小の力であるまたは靭帯層と組み合わさって関節の周囲の正確な剛性を設定する。ＤＣモータ４０５を駆動するためのこの制御信号は、次いで、ロードセル４０３の値からの力信号によって調整される。モータは、（元になる角度評価＋リンクセグメントモデルに基づき）重力の影響と等しい力を加えるまたはＦminに関する限り、靭帯層と組み合わされた関節剛性を直接的に調整する。この信号組合せは、モータ４０５を制御するためにＰＩ制御スキーム４２５において出力信号が使用される加算ユニット４２２において生じる。
【０１６７】
上記計算は、上半身および下半身スーツの両方に当てはまることに留意されたい。
【０１６８】
ベース層は、使用者に対するインターフェースとして機能する。この層は、部分的に、伸縮性かつ通気性の材料から形成されている。加えて、この層は、装置剛性を変化させることができる複数のエレメントおよびせん断力を減らしかつそれらを法線力に変換するために配置された半剛性プレートを有する。ベース層は、パワー層の腱に対して垂直に配置された腱を使用する締付けおよび自己締付け機構をも特徴とする。パワー層はベース層に取り付けられている。パワー層は、アクチュエータから脛の前側において膝を超えて股関節まで案内された複数の腱から成る。パワー層は、受動システム安定性を調節するためのプリテンションシステムを特徴とする。靭帯層は、ベース層にも取り付けられており、パワー層の腱と対抗する。
【０１６９】
図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、本発明の一実施形態の装置の異なる層のエレメントを示している。図５Ａは、受動層３００のエレメントと組み合わされたガーメント層１００を有する使用者の足１０およびヒップの部分の正面図を示している。
【０１７０】
ヒップガーメント層１０１は、ベースメッシュをカバーするフラップを有し、このフラップは、ケーブルを介して他方の側に取り付けられている。これらのエレメントが自己テンショニングヒップベルトとして機能するためにどのように取り付けられているかのより良い図は、図１２および図１３に関連して見ることができる。図５Ｃも、ヒップガーメント層１０１をただし背面図で示している。ベース織物は、伸縮性かつ耐摩耗性である。なぜならば、複数のテンショニングケーブル１１１は、ケーブル１１２から受けるあらゆる押付けを全面にわたって配分するためにベース層ガーメントの表面上に締め付けられるからである。なぜならば、ケーブル１１２は、ガーメント層に取り付けられており、２０１によってカバーされて示されているだけだからである。この自己テンショニングシステムは、モータ層の腱３２１に対して垂直に向けられており、ひいては、使用者の足にかかるせん断力を回避する。ガーメント層内またはガーメント層上の半剛性プレート１２１は、せん断力を法線力に変換している。
【０１７１】
図５Ｂは、ベースガーメントの上側に設けられたエレメントの背面図を示している。これは、後ろ側において、各足１０に１つずつ、２つのパス３１１を有する。各パス３１１は、ヒップガーメントの上端部に取り付けられており、十字形コードまたはジグザグ配列において設けられ、パス３１１の側部に設けられたループまたはタブによって保持された、ヒップパワー層伝達腱３２１を有する。言い換えれば、伝達腱３２１は、パス３１１の反対側のエッジにおける低摩擦ループまたはタブによって、パス３１１に沿って、大腿からウエストまで、パス３１１の一方の側からパスの他方の側３１１へ案内されている。大腿およびパスの上端部の近くにはより多くのループまたはタブが設けられており、より少ない、ここでは、パス３１１の中央にわたって基本的に１つの長い交差する腱の対が設けられている。このプリテンション機構は安定性を高める。これらの腱は、大腿下側の両側で膝に向かって案内されるためにシリコーンチューブ３１３内に案内される２つのケーブルに分割される前に、カバーされたパスとして領域３１２において２つの平行な腱に続いており、ケーブルは、１つの単一の腱３０１に取り付けられ、通常は膝１２の前側で所定の距離にある滑り面である方向変化箇所３０２を通って方向転換され、次いで、脛の前側でユニット３１０内のパワー層のモータユニットへ案内されている。
【０１７２】
複数のテンショニングケーブルを有するテンション機構３１１は、ベース層に対して垂直に向けられている。テンション機構３１１は、大腿ガーメント層１０２内に、また、図５Ａ〜図５Ｃに示されていないが、脛ガーメント層１０３において、関連するテンション機構３１２を有する。これらは、ガーメントの剛性に寄与する。図５Ａは、各足１０のための２つのストレッチバンドおよびヒップ−大腿受動層２０１も示している。層ジャミング入口は、スーツの剛性を適応させるために設けられている。装置とその使用者との間の相互作用力は、作動中のスリップおよび不適切なフィットを検出するためのシステムのための基礎を形成するために、筋骨格系に対するそれらの影響に関して評価された。
【０１７３】
さらに、システムの効率は、装置から使用者への力の伝達を改良することによって改良することができる。これは、スーツの剛性を適応可能に設定するための層ジャミングアプローチを使用して行われた。この技術は、装置の効率を高め、図１３に関して説明される使用者の身体に作用する力を減らすことによって快適性のレベルも高める。
【０１７４】
装置がせん断力を最小限にしかつ主に法線力を人体に伝達することを保証するために、本発明の一実施形態による装置の特徴のインパクトを測定するために圧力センサおよび３軸力センサが好ましくは使用される。体幹上の複数の位置において圧力マップを生成するために、実用的な例では、Tekscan圧力センサが使用された。さらに、使用者の皮膚に加えられるあらゆるせん断力を検出するために、光学力センサ（Optoforce OMD-20-SE-40N）が一体化された。システム構造がせん断力を最小限にしかつこれらを法線力に変換することが示された。
【０１７５】
図６は、前かがみ位置における使用者を示しており、図１におけるものと同じ力およびモーメントが説明されている。下肢装置のこの概略図は、ベース層およびパワー層がどのように相互作用するかを示している。パワー層の腱３０１は、生体関節１１，１２および１３の剛性を調整する。装置の力ＦMyosuit５０２としての鉛直方向の成分を有するこれらの力は、関節レベルでの重力５０１の影響を補償する。使用者に作用するせん断力を回避するために、ベース層はこれらの力を法線力に変換する。せん断力を法線力に変換するための可能性は、図１７に示されており、ガーメント部分の適切な設計がせん断力を回避することを助けることを示している。また、図１２に示したように、半剛性の、異方性に配置されたプレートがベース層に一体化されていることも可能である。半剛性とは、剛性を変化させる入口およびスーツに埋め込まれたプレートの両方を意味する。半剛性は、剛性および中実に関連するが、ある方向では可撓性である。異方性挙動は、主に身体形状に最適に適応することが必要とされる長手方向および横方向における異なる剛性を意味する。原理は、図１２および図１３の説明に関連して説明されている。これらのプレート１２１は、ベース層がさらにガーメント状感覚を有するように特定の形式で配置されている。この配置は、パワー層およびベース層の接続部の周囲のモーメントを形成することができる。エレメントの適切なアンカリングによって力配分を高めることができることを示す図１６も参照される。
【０１７６】
使用者は、直立身体位置へ戻るために使用者を助ける法線力としてこのモーメントを体験する。概略図は、下肢装置の適用シナリオを示している。この実施の形態では、システムは、車いすに快適に座ることを可能にする。車いすは、長距離を移動するために使用することができ、本発明による装置は、使用者が障害物を通り抜ける必要があるときまたは直立位置になりたいときにのみ配備される。車いすは、装置の電池を誘電的に充電することができる大容量電池を提供する。誘電充電器は、車いすの背もたれに組み込まれている。使用者が座っているとき、装置の電池は、車いす電池に基づいて充電されている。これにより、柔軟な装着型筋肉補助装置は小容量電池とともに使用することができる。したがって、電池は重量の観点から主駆動装置のうちの１つであるので、装置は極めて軽量であることができる。
【０１７７】
図７Ａおよび図７Ｂは、前額面および矢状面における、腕２０のための別の実施の形態による３層装置の２つの概略的な図を示している。図８は、腕のサポートのための、本発明の別の実施の形態による３層装置を備えた使用者１０の胴２４の概略的な側面図を示している。図７Ａおよび図７Ｂは、図１に示された下肢装置において使用された原理が、どのように上半身へ転換されるかを示している。上半身装置は、矢状面および前額面の両方においてサポートを提供する。肘関節２２および肩関節２１は、下肢装置におけるのと同じ拮抗構造によって重力補償される。手首２３の曲げおよび伸ばしも、拮抗式にサポートされる。パワー層は、関節の伸びを能動的にサポートし、靭帯層は、関節の曲げを補助する。肩関節２１に対する補助の焦点は、腕２０の重量を補償することに置かれる。ベース層は、靭帯層およびパワー層のためのインターフェースを構成し、靭帯をサポートするために肩関節の近くに配置された剛性変化入口６２１を有する。入口６２１は、肩２１において始まっており、使用者の側部において胴ハーネス６０１の下縁まで延びている。これにより、筋肉は、パワー層および靭帯層によって付加的にサポートされながら、より少ない努力で力を加えることができる。下肢装置と異なり、パワー層の腱アクチュエータ８１０は、遠位質量を回避するために、体幹、すなわち胴２４の近くに配置されている。図示されていない別の実施の形態では、下肢アクチュエータは、股関節の上方に配置されている。設計は、クラッチ機構８１１も特徴とする。クラッチ機構８１１は、図７Ａおよび図７Ｂに見られるように、前額面および矢状面の両方において腕２０を動かすために、枝分かれした腱を肩２１を横切って調節する。クラッチは、自動的に、機械的にまたはセンサと、エレメントを切り替えることを決定する制御ユニットとを介した検出により検出される使用者の動きの意図に従って、前側と矢状面との間を選択する。クラッチは、センサ入力（ＩＭＵ＋ケーブル長さ）を介して作動し、切換えは、次いで、初期方向に基づく使用者の意図に依存する。クラッチは、１つのオプションまたはその他に係合する。
【０１７８】
胴ハーネス６０１は、ケーブルアクチュエータ８１０に向かって肩ケーブルガイド８０３の方向転換箇所（図示せず）の近くで肩２１に取り付けられかつさらに胴２４の後側に取り付けられたばねまたはストレッチバンド７０１を有する。肩ケーブルガイド８０３は、ケーブル（図示せず）を有し、ケーブルを、前側から、肘ケーブルガイド８０２における所定の距離で下面上の肘パッド６０２に向かって案内する。次いで、ケーブルは、手の背部に向かって前腕ケーブルガイド８０１の内側で続き、手の後側における手首パッド６０３に取り付けられている。手首パッド６０３は、ケーブルガイド８０１に拮抗するように作用する手首ばね７０３を下側に有する。
【０１７９】
図９は、ここでは上側関節３１と呼ばれる１つの関節に作用する一般的な作動原理を、下肢または上肢のための適用から独立してどのように実施することができるかを示している。このセットアップでは、２つの層、すなわちガーメント層および受動層が存在する。ガーメント層は、身体ガーメントのための９０１および上肢部分３５を包囲する上肢部分ガーメントの９０２として示されており、この概略的なセットアップでは、受動層の２つのエレメント１００１および１００１Ａによって接続されている。２つのエレメントは、この実施の形態では、１つではなく、２つ以上の受動エレメント１００１がガーメント層部分９０１および９０２を接続することができることを強調するために示されている。２つのエレメントは、最終的に、関節３１を横切るトルクプロフィル、すなわち、各受動部材（ＬiおよびＫi）の長さおよび剛性、ならびに関節を横切るモーメントアームのサイズ（ｌi）、を規定し、ここでi＝１および２である。
【０１８０】
図１０は、関節、ここでは下肢部分３２のための一般的シナリオを示しており、この場合もやはり、関節３２を横切って働く受動層２００およびガーメント層１００が示されており、ここでも、この関節３２の剛性をさらに調整することができる能動的構成部材（モータまたはアクチュエータ１１１０および１１１０Ａ）が含まれている。腱１１００および１１００Ａが関節３２を横切って案内されておりかつそれらがガーメント層１００に適切に接続されている場合、特定の位置に配置されなくてもよいということを強調するために、モータ１１１０および１１１０Ａは所定の位置に配置されている。上方から作動する第１の腱１１００は、可能な限り低いガーメント９０３に取り付けられている。例えば、上肢の場合、それは手首パッドであってよく、足首を超える下肢の場合、それは踵パッドにあってよい。第２の腱１１００Ａは、下方から作動し、最も上側ガーメント９０２に取り付けられている。しかしながら、関連するモータ１１１０または１１１０Ａは、他のところに配置することができる。なぜならば、腱が、例えば、ガーメントエレメントに固定して取り付けられた（好ましくは、たるんだ）シースに収納されているという意味において、腱はガーメントに「取り付けられている」からである。各腱１１００および１１００Ａには、拮抗する受動エレメント、すなわち１００２および１００２Ａがそれぞれ関連している。
【０１８１】
図１１Ａは、本発明の一実施形態による装置を使用しているときの、部分的に曲がった位置における足の概略図を示している。図１１Ｂは、より真っ直ぐな位置における、図１１Ａの足の概略的な形式を示している。図１１Ｃは、本発明の一実施形態による装置を使用しているときの、部分的に曲がった位置における腕の概略図を示している。
【０１８２】
図１２は、ガーメント層を用いて作動がどのように達成されるかを理解するために有用である。本発明の一実施形態による装置は、織物において一体化された自己締付け機構を特徴とする。装置が作動し、力（ＦAct）を能動的に加えると、システムは、自動的に締め付け、法線力を増大させる。これは、力が加えられたときに自動的に締め付ける十字形（またはジグザグ）構造をいう。ＦActは構造に接続されており、したがって、力は、「コルセット」の「きつさ」を増大させるためにも使用することができる。能動的な腱は、身体および四肢の周囲に巻き付けられたこのコルセット状構造に直接的に接続されている。これにより、システムは、重力を補償するために、加えられた力と比例するきつさの連続的なレベルを適用することができる。この機構は、時間の経過とともに、使用者に加えられる力を減らすことによって使用者の快適性を高める。ベース層の一体的な設計は、低い力のシナリオの間に、装置のスリップが現れないことを保証する。
【０１８３】
装置ベース層は、せん断力を最小限にすることを目的とする異なる構造を有する。薄いポリマ層が互いに上下に積層されており、層ジャミングの効果を生じる。圧縮されると、これらは、剛性の結合を形成することによって剛性を高める。シートは、低い付着（圧縮されていないときの可撓性）および高い摩擦係数（圧縮されたときの剛性）を有する。装置構造自体（コルセット）を介して、空圧式にまたは電子付着によって、所要の圧縮力を達成することができる。これにより、ベース層は、作動中に身体形状になることができ、これは、ベース層と人体との間の接触面積を増大させる。接触面積を増大させかつ最適化した結果、低い法線およびせん断応力を生じる（σ／τ＝Ｆ／Ａ、この図においてαと呼ばれる）。増大した剛性は、剛性のときにその構造内に力を分配する円形構造を介して、圧縮力を減らす。高いシステム剛性は、装置効率をも増大させる。なぜならば、これは、組織変形を減らしかつケーブル移動を最小限にするからである。
【０１８４】
装置自体の拮抗する構造（ベース層＋靭帯層＋パワー層）は、身体の反対側の部位に提供される力に反作用するために、身体に沿って力を別ルートで伝達することによってせん断力を減らす。図１２に示された、事実上固定されたベアリングは、装置と人体との間のぴったりとしたフィットにより存在する。このような力シナリオの間、ベース層における積層されたシートは剛体になる。代替例として、これらの部分は、他の高剛性ポリマまたは複合材によって置き換えることができるが、これは、使用者の快適性およびぴったりとしたフィットを減らし、ひいては、システム効率を低下させる。上部における剛性プレートと織物層との間の剛体スペーサは、モーメントアームファクトを形成する。この結果、事実上固定されたベアリングの周囲にモーメントを生じ、これは、リターンとして力Ｆopを導入する。発生した力は、反対側の部位におけるせん断力に部分的に反作用する（ＦPas）。この概念は、両側でクロス配置で作用する。図１３は、概念の２Ｄ表示を示している。１つの適用では、複数の腱は、力を別ルートで伝達するために使用され、力の適用は、剛体プレートの上側で最適な領域にわたって配分される。ベース層内の構造の間の接触領域は、低い摩擦を有するように設計されており、これにより、摩擦損失を最小限にし、改良された力伝達を可能にする。腱は、固定されたスリーブ（剛性的にまたは固定して取り付けられている）を通って案内されている。これは、スリーブの外側に力伝達が存在せず、力を、必要とされるところへ直接的に伝達することができるという利点を有する。腱は、引張力ＦActに部分的に反作用するように配置されている。ＦActに反作用しない全ての生じる力は、人体にかかる圧力および応力を増大させないように剛性プレートへ導かれる。
【０１８５】
図１３は、重力に反作用するために関節の剛性を高めるために使用される、ガーメント層のスタックの概略図を示している。シートのスタックは、スタックの剛性を増大させる外部圧力（Ｐext）に曝される。重力により、ＦReactは、層スタックに別の力を加え、これが、今度は外力に反作用し、ひいては、関節の周囲の剛性を調整する。層は、円形構造における外力を吸収するためにも使用される。
【０１８６】
上記で説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、少なくとも２つのガーメントエレメント１０１，１０２，１０３；９０１，９０２，９０３と、ガーメントエレメント１０１，１０２，１０３；９０１，９０２，９０３のうちの隣接する２つの間に取り付けられた少なくとも１つの受動力エレメント２０１，２０２；１００１，１００１Ａ，１００２，１００２Ａとを有する、重力に逆らって使用者の四肢１０，２０をサポートするための装置である。
【０１８７】
さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、受動力エレメントがストレッチバンドまたはばねである装置でもある。
【０１８８】
さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、ガーメントエレメントが、関連するガーメントエレメントを所定の位置に維持する収縮エレメント１１１，１１２を有し、収縮エレメント１１１，１１２が、基本的に、関連する四肢部分の長手方向軸線に対して垂直に向けられている対応する装置である。
【０１８９】
さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、ガーメントエレメントが、使用者の皮膚と、ガーメントエレメントの収縮エレメント１１１，１１２との間に設けられた剛性誘発プレート１２１および／または滑りプレートを有するこのような装置である。
【０１９０】
さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、１つのガーメントエレメント１０１；９０３，９０２に取り付けられかつ引張力アクチュエータ３１０；１１１０，１１１０Ａによって作動する腱３０１；１１００，１１００Ａを有する少なくとも１つの能動的サポート３００を有することができ、腱３０１；１１００，１１００Ａは、少なくとも一方の隣接するガーメントエレメント３０２，３０３；９０２，９０３へ案内されており、全ての１つの引張力アクチュエータ３１０；１１１０，１１１０Ａのために、関連する腱部分３０２，３０３；１１０２，１１０２Ａへの拮抗する受動力エレメントである受動力エレメントが存在する、このような装置である。さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、好ましくは、腱が、対応するガーメント部分に少なくとも部分的に取り付けられた低摩擦シース内に案内されるように設計されているこの装置である。さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示の限定なしに、この段落に記載された装置が、好ましくは、第１のガーメント層のための矢状面に関して使用者の身体の一方の側に案内された各腱が、分離された部分を有し、２つの腱部分は、関連する四肢の前額面の反対側に案内され、矢状面の反対側で再び統合され、隣接するガーメント層上に案内されるように、設計されていることでもある。さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、ガーメントエレメントが、使用者の皮膚と、腱との間に設けられた滑りプレートを有するこのような装置である。さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、腱または腱部分が、滑りプレート上において十字形パターンで案内されているこのような装置である。さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、各引張力アクチュエータ３１０；１１１０，１１１０Ａが、１つの隣接するまたは反対側のガーメント層エレメントに取り付けられているまたは案内方向変更エレメントが、隣接するまたは反対側のガーメント層エレメントに取り付けられており、関連する腱を案内しており、引張力アクチュエータをしたがって装置のあらゆる場所に固定することができる、このような装置である。さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、制御ユニット４００と、ガーメントエレメントのうちの１つに取り付けられた少なくとも１つのセンサ４０１，４０２とを有し、センサ４０１は、鉛直方向に関してガーメントエレメントに関連した四肢部分の角度４１１を検出するように構成されているかつ／またはセンサ４０２は、ガーメントエレメントに関連した四肢部分の動きを検出するように構成されており、制御ユニット４００は、四肢部分の動きおよび／または角度変化をサポートするために少なくとも引張力アクチュエータ３１０；１１１０．１１１０Ａを制御４０５するように適応されている、このような装置である。さらに、上記で説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、制御ユニット４００が、全ての関節に関して、認可された所定の角度インターバルを記憶しかつ全ての関節のグループのために、所定の角度インターバルを記憶し、全ての関節のためのセンサ４０１の情報４１１を、記憶されたインターバルと比較しかつ角度値が、装置が装備された使用者の転倒を回避するために所定のしきい値インターバルのうちの１つから外れると、引張力アクチュエータ３１０；１１１０，１１１０Ａをブロックするように適応されている、前の文において示されたこのような装置である。
【０１９１】
さらに、上記でも説明されたものは、特に、本発明または本開示を限定することなく、少なくとも２つのガーメントエレメント９０２，９０３と、ガーメントエレメント９０２，９０３のうちの隣接する２つの間に取り付けられた少なくとも１つの受動力エレメント１００２，１００２Ａとを有する、重力に逆らって使用者の四肢１０，２０をサポートするための装置である。好ましくは、これは、さらに、１つのガーメントエレメント９０３，９０２に取り付けられかつ引張力アクチュエータ１１１０，１１１０Ａによって作動する腱１１００，１１００Ａを有する少なくとも１つの能動的サポートを有し、腱１１００，１１００Ａは、少なくとも一方の隣接するガーメントエレメント９０２，９０３へ案内されており、全ての１つの引張力アクチュエータ１１１０，１１１０Ａのために、関連する腱部分１１０２，１１０２Ａへの拮抗する受動力エレメントである受動力エレメントが存在する。
【符号の説明】
【０１９２】
１０  足
１１  股関節
１２  膝
１３  足首
１４  大腿
１５  脛
１９  地面
２０  腕
２１  肩
２２  肘
２３  手首
２４  胴
２５  上腕
２６  前腕
３１  上側関節
３２  下側関節
３４  上半身
３５  上肢部分
３６  下肢部分
１００  ガーメント層
１０１  ヒップガーメント層
１０２  大腿ガーメント層
１０３  脛ガーメント層
１１１  テンショニングケーブル
１１２  テンショニングケーブル
１２１  半剛性プレート
２００  受動層
２０１  ヒップ−大腿受動層
２０２  大腿−脛受動層
２０３  脛−足先受動層
２０４  肩−上腕受動層
２０５  上腕−前腕受動層
２０６  前腕−手受動層
３００  パワー層
３０１  パワー層伝達腱
３０２  方向変化箇所
３０３  ケーブルヒップ案内部
３０４  ヒップ取付け箇所
３１０  パワー層ユニット
３１１  パワー層パス
３１２  カバーされたパス
３１３  シリコーンチューブ
３２１  ヒップパワー層伝達腱
４００  サポート補助制御ユニット
４０１  ＩＭＵ
４０２  加速度計
４０３  ロードセル
４０４  腱長さ評価装置／エンコーダカウンタ
４０５  モータ
４１１  角度計算ユニット
４１２  角度計算ユニット
４１４  関節モデルユニット
４１５  加算ユニット
４１６  体幹ＥＣ補償ユニット
４１７  圧縮および補償ユニット
４１８  スケーリングサポート値ユニット
４１９  最小力ユニット
４２０  力評価ユニット
４２１  動き検出器
４２２  加算ユニット
４２５  ＰＩ制御ユニット
５０１  重力
５０２  装置力
６０１  胴ハーネス
６０２  肘パッド
６０３  手首
６２１  剛性適応入口
７０１  肩ストレッチバンド
７０３  手首ばね
８０１  前腕ケーブルガイド
８０２  肘ケーブルガイド
８０３  肩ケーブルガード
８１０  ケーブルアクチュエータ
８１１  クラッチ機構
９０１  身体ガーメント
９０２  上肢部分ガーメント
９０３  下肢部分ガーメント
１００１  第１の受動エレメント
１００１Ａ  第２の受動エレメント
１００２  第１の受動層
１００２Ａ  第２の受動層
１１００  第１の腱
１１００Ａ  第２の腱
１１０２  第１の腱の方向変化
１１０２  第２の腱の方向変化
１１１０  第１のアクチュエータ
１１１０Ａ  第２のアクチュエータ
【図１】
2020518295.tif 000003
【図２】
2020518295.tif 000004
【図３】
2020518295.tif 000005
【図４】
2020518295.tif 000006
【図５Ａ】
2020518295.tif 000007
【図５Ｂ】
2020518295.tif 000008
【図５Ｃ】
2020518295.tif 000009
【図６】
2020518295.tif 000010
【図７Ａ】
2020518295.tif 000011
【図７Ｂ】
2020518295.tif 000012
【図８】
2020518295.tif 000013
【図９】
2020518295.tif 000014
【図１０】
2020518295.tif 000015
【図１１Ａ】
2020518295.tif 000016
【図１１Ｂ】
2020518295.tif 000017
【図１１Ｃ】
2020518295.tif 000018
【図１２】
2020518295.tif 000019
【図１３】
2020518295.tif 000020
【図１４】
2020518295.tif 000021
【図１５】
2020518295.tif 000022
【図１６】
2020518295.tif 000023
【図１７】
2020518295.tif 000024
【図１８】
2020518295.tif 000025
【国際調査報告】
2020518295.tif 000026
2020518295.tif 000027
2020518295.tif 000028
2020518295.tif 000029