アシストスーツの多機能化に関する研究－新たな負荷軽減機構の開発と健康管理技術の検討－
中島明哉*

斎藤譲司*

ウェア型アシストスーツに健康維持と健康管理の両機能を搭載することを目的に，新たな負荷軽減機構の開発と健康管理技術の検討を行なった。身体負荷を軽減しかつ一般的な通常動作を妨げない新たな負荷軽減機構として，手動およびエアアクチュエータ駆動による剛性可変ボーンを提案し，実験によりその有効性を示した。また健康管理機能として電気インピーダンスによる脈拍数計測技術の適用可能性について検討し，胸部での測定実験結果から必要十分な計測技術であることを確認した。さらに，背中や腰でも計測が可能なことを確認し，計測デバイスがボーンに搭載可能なことを示した。
キーワード: アシストスーツ，負荷軽減機構，脈拍計測

A Study of Multifunctionalization of Assistive Suits- Development of a New Load Reduction Mechanism and Consideration of Health Care Technology Akichika NAKASHIMA and Joji SAITO
For the purpose of incorporating health maintenance and health management functions into assistive suits, we developed a newmechanism for load reduction and examined health care technology. As a new load reduction mechanism that reduces physical load without
interfering with normal motion, we proposed a variable stiffness support element driven manually and by an air actuator, and demonstrated
its effectiveness through experiments. The applicability of electrical impedance pulse rate measurement technology as a health management
function was investigated, and the results of a chest measurement experiment confirmed that the measurement was sufficient. Furthermore,
we confirmed that measurement was possible on the back and lower back, demonstrating that the measurement device could be mounted on
the support element.
Keywords: assistive suit, load reduction mechanism, pulse rate measurement

１．緒言

引き伸ばされた弾性体が元に戻る際の復元力を筋力の働き方改革や健康志向の高まりから，職場環境の改

補 助 力 と し て い る 1),2) 。 こ の 方 式 は 図 1(a)に 示 す よ う に

善や従業員の健康維持・管理が重要視され，それに利重量物を持ち上げる際に膝を曲げず背を丸める前傾姿活用できるスマートテキスタイルの開発が求められて

勢 3) を と る こ と を 前 提 と し て い る 。 し か し ， こ の 姿 勢いる。スマートテキスタイル分野は，これまで県内繊においては腰椎への負荷を軽減することは難しい。一維企業が衣料分野で培った繊維技術を応用できる成長方で，背筋を伸ばした状態に拘束することを目的とし，分 野 で あ り ， IoT・ AIな ど の 電 子 ・ 情 報 技 術 と の 融 合

その固定力を高めるために背面部に芯となる硬い部材によ る用途開発が 可能である。

(ボ ー ン )を 搭 載 し た 方 式 も 存 在 す る 4),5) 。 こ の タ イ プ は

このような中，重い荷物を持ち上げる作業現場では，背 を 丸 め ら れ な い た め ， 図 1(b)に 示 す よ う に 膝 を 曲 げ

健康維持のための腰痛予防としてコルセット等から進て 荷 物 を 持 ち 上 げ る 3) よ う に 誘 導 す る 。 そ の た め ， 腰化したウェア型アシストスーツの活用が期待されてい椎への負荷は軽減されるが，ボーンに動きが拘束される。現状のウェア型アシストスーツは，その多くがゴるた め，普段の動 作を妨げるこ とが課題 であ る。

ムなどの弾性体を背面に配置し，体の前屈動作によりまた，健康管理を目的として，作業者の心拍数などを収集するバイタルセンシングシャツが注目を集めて
い る 3),4) 。 し か し な が ら ， ア シ ス ト ス ー ツ は 作 業 服 と* 繊 維生活 部- 19 -

弾性体ボーン(a) 弾性復元タイプ
図1(b) 固定ボーンタイプ
図2

ウェ ア型アシスト スーツ

剛性 可変ボーンの 構造同様で，シャツなど複数枚の衣類の上に装着する。したがって，健康管理技術として肌に直接触れて測定する バ イ タ ル セ ン シ ン グ シ ャ ツ の 技 術 6),7) を 用 い る こ とはで きず，心電図 による心拍の 計測は難しい 。
現在，ウェア型アシストスーツにはこの腰痛予防とt=0.5バイタルデータ収集の両機能を備えた繊維製品は 存在しない。そのため，それぞれの機能を有する製品を着

図3

手動 剛性可変ボー ン用する必要があり，導入や管理が煩雑になる。そこで，
本研究では，心拍と同等の情報として扱える脈拍に注目し，アシストスーツに健康維持と健康管理の両機能を搭載することを目的に，身体負荷を軽減し且つ他の作業を妨げない新たな負荷軽減機構の開発と衣類の上からでも脈拍を測定できる健康管理技術についての検t=0.5

討を 行なった。
図4

手動 剛性可変ボー ン（スリ ット入り）

２．ウェア型アシストスーツ の負荷軽減機構
新たな負荷軽減機構として，作業に応じて手動およmm間 隔 で 靴 紐 を 通 す よ う に 配 し ， こ の 組 紐 を 矢 印 方びアクチュエータ駆動により剛性を変更できる剛性可向に引くことで変形する手動剛性可変ボーンを試作し変ボーンの開発を行なった。これにより，剛性を低いた。

状態とすることで通常動作は妨げず，重量物を持ち上げ る 際 に は 剛 性 を 高 い 状 態 に し て 図 1(a)の 姿 勢 を と れ

２．２．２

実験方法

な く し ， 図 1(b)の よ う な 動 作 に 誘 導 す る こ と で 腰 椎 へ

試作した手動剛性可変ボーンをアシストスーツに組み込み，紐を引くことで剛性可変機構の確認を行なっの負 荷を軽減する ことを目標と した 。

た。また，剛性可変過程におけるボーンの形状観察及２．１

び変形終了に至るまでの紐の引き込み量や最大引き込剛性可変ボーンの構造

剛 性 可 変 ボ ー ン は ， 図 2に 示 す よ う な 薄 肉 の 矩 形 断

み力 を計測した。

面を有する梁構造の状態を低剛性状態とし，断面の両端が起き上がるように変形することで高剛性状態とな

２．２．３

実験結果

る構 造とした。

紐は引き方により，左右のバランスが取れず，必ずしも想定した円弧状に変形しないことを確認した。そ２．２

こ で ， 図 4に 示 す よ う に ボ ー ン が 腰 に 接 触 す る 位 置 に 2

手動剛性可変ボーン

２．２．１

本のスリットを入れ，ベルトを通すことでボーン中央

試作

厚 さ 0.5 mm， 幅 100 mm， 長 さ 450 mmの ポ リ カ ー ボ部 の 幅 20 mmを 体 に 密 着 さ せ る 仕 様 に 変 更 し た 。 こ れ

ネ ー ト 板 に 組 紐 （ 綿 ， 幅 2 mm） を 図 3に 示 す よ う に 80に よ り 高 剛 性 状 態 で は 図 5に 示 す よ う な ス リ ッ ト 箇 所を中心にした形状に変形すること機構となった。この- 20 -

図6
図5t=0.5

アク チュエータに よる剛性 可変ボーン

手動 剛性可変ボー ンの高剛 性状態

変形 に寄与してい る部分の紐の 長さは片側 375 mmで あり， その引き込み 量は約 120 mm， 最大引き 込み力は約12 Nで あった。

２．３アクチュエータによる剛性可変ボーン

２．３．１

試作

ボーンの剛性可変を自動化することを目的に，アク(a)正面から見た様子

チュエータの選定を行なった。アクチュエータはウェ

図7(b)側面から見た様子
ボーン外形

空気 圧 0.5 MPaのボーンの 様子

ア型の利点を生かすためボーンの外部にモータを搭載するのではなく，紐状の伸縮型アクチュエータを用いることとした。前項の手動可変ボーンでは変形に寄与
し て い る 組 紐 を そ の ま ま 置 き 換 え る に は ， 伸 縮 率 32%，
伸 縮 力 12 N以 上 の 性 能 が 必 要 と な る 。 し か し な が ら ，これらの性能を満足するアクチュエータは存在しない
こ とから， 近い仕 様のエアア クチュエ ータ (マッ キベン型 細径人 工筋肉 SM40・ ㈱ s-muscle)を選 定した 。そのうえで，小さい変位量で剛性可変が可能なボーンとして，

図8

アク チュエータ駆 動ボーン の 高剛性状態

厚 さ 1 mm， 幅 100 mm， 長 さ 450 mmの ポ リ カ ー ボ ネー
ト平板を低剛性状態とし，エアアクチュエータを図6のよ うに配置した ボーンを試作 した。

２．４．１

実験方法

試作したボーンを組み込んだアシストスーツを着用
し，ボーンの剛性値が低い状態及び高い状態において２．３．２

実験方法

直立状態から背を丸めるように前屈する動作 実験を行

エア アクチュエー タに空気圧 0.5 MPaを供給 することなっ た。

で剛 性可変機構の 確認を行なっ た。

２．４．２
２．３．３

実験結果

実験結果

手動，アクチュエータ駆動ともにボーンが平板状でエ ア ア ク チ ュ エ ー タ 駆 動 時 に ボ ー ン は 図 7の よ う に
湾 曲 変 形 し た 。 変 形 後 の 最 大 高 さ は 23 mm， 最 小 幅 は84 mmで あり，高剛 性状態にな ることを確認 した。

剛性が低い状態においては，背を丸めて前かがみになる 姿 勢 は 容 易 に 取 る こ と が で き た 。 一 方 で ， 図5や図 8のようにボ ー ン の 剛 性 が 高 い 状 態 に お い て は ， 背 を 丸める動作の抵抗となった。これにより，通常作業時は２．４

着用評価

ボーンの剛性を低い状態とすることで作業性を低下さ

重 量 物 を 持 ち 上 げ る 際 に は 剛 性 を 高 く し て 図 1(a)のせず，重量物を持ち上げる際にはボーンの剛性を高い

よ う な 姿 勢 を と れ な く し ， 図 1(b)の よ う な 動 作 に 誘 導状態にすることで背筋を伸ばした姿勢に誘導でき，そでき ることを確認 するための 実 験を行なった 。の有 効性を確認し た。

- 21 -

２．５

考察

ポ リ カ ー ボ ネ ー ト の ヤ ン グ 率 (E)を 2.3 GPaと す る と ，

電 極

手 動 ボ ー ン の 低 剛 性 状 態 に お け る 剛 性 (EI) は 2.4 × 103

デバイス

人体N･mm 2 で あ る 。 紐 を 引 い て 変 形 さ せ た 後 の 高 剛 性 状 態

衣服においては，ボーンの剛性が最大となる位置の断面形状を 幅 0.5 mm， 高 さ 40 mmの梁 が 2枚並立し ている状態

デバイスと し て 計 算 す る と ， そ の 剛 性 値 は 12.2 × 106 N･mm 2 となった。また，アクチュエータ駆動ボーンの低剛性状

図9電極アシストスーツ

断面模式図（装着時）

試作 デバイスと装 着の様子

態 の 剛 性 は 19.2 × 103 N･mm 2 で あ り ， 駆 動 後 に 湾 曲 したボーンの剛性が最大となる位置の断面形状を半径
R=50 mm， 厚 さ t=1 mm， 角 度 θ=1.68 radの円環の 一部とし て 近 似 し ， 式 (1)を 用 い て 断 面 二 次 モ ー メ ン ト 𝐼𝐺 を 計算し た剛性 値は11.1 × 106 N･mm 2 で あっ た。
1𝐼𝐺 = (𝛼 + sin 𝛼 cos 𝛼)(𝑟2 4 − 𝑟1 4 ) −41𝛼(𝑟2 2 −𝑟1 2 )ただ し，𝛼 =𝜃2，𝑟2 = 𝑅 +{𝑡22 sin 𝛼(𝑟2 3 −𝑟1 3 )3，𝑟1 = 𝑅 −2}・・ ・ (1)𝑡

図102計測比 較実験の結 果

このことから，背筋を伸ばした姿勢に誘導するために は ボ ー ン の 剛 性 が 10.0 × 106 N･mm 2 以 上 あ れ ば 十 分である可能性が高いことがわかった。なお， この妥当性については今後の課題として取り組んでいく予定である 。

３．アシストスーツのための健康管理技術
３．１

計測原理とデバイスの試作

皮 膚 非 接 触 で 一 分 間 当 た り の 脈 拍 数 を 測 定 精 度 ±5％で計 測可能な方法 について 検討 した結果，・皮 膚に直接触れ ることなく脈 拍計測ができ る図11

・皮膚に接触はしないが，ある程度装被測定者に密ブラ ンド -アルトマン分析 結果

着 し て い る (ア シ ス ト ス ー ツ は 肩 ベ ル ト や チ ェ ス
比 較 対 象 と し て 市 販 の 携 帯 型 心 電 計 (Checkme ProX ・トベ ルトなどがあ るため )・既 にある程度実 用化のめどが 立っている 8)

三 栄メディ シス㈱ )に 誘導コー ドと心電 図電極 をセット

・電 子デバイスの 小型化が可能

し た Ⅰ誘導によ る心拍 数計測 を 同時に行 なうた めに，椅などの点が確認できたことから，シートベルトなどで子に 座った安静な 状態で 脈拍計 測実験を行な った。

脈拍や呼吸数をモニタリングするために使用されている 電 気 イ ン ピ ー ダ ン ス を 用 い た 計 測 技 術 9) の ア シ ス ト３．３

結果と考察

スーツへの応用可能性について検討 することとし，図図 10に 示 す よ う に 試 作 デ バ イ ス に よ る 脈 拍 数 の 計 測

9に示 す小型デバ イス (45.5×38.5×10.5 mm)を 試作した 。

値は携帯型心電計の心拍数の表示値に対し一定程度同期して値が上下することが確認でき，脈拍数の増減傾３．２

向が把握できた。また，試作デバイスの脈拍数値と携実験方法・条件

ウェア型アシストスーツのチェストベルトに搭載し，- 22 -帯型心電計の心拍数値の平均と差を図示したブランド

でき た。
振幅４．結言アシストスーツに健康維持と健康管理の両機能を搭載することを目的に，身体負荷を軽減し且つ他の作業時間を妨げない新たな負荷軽減機構の開発と，衣類の上か(a) 胸らでも脈拍を測定できる健康管理技術についての検討
した 結果，以下の 知見が得られ た 。

振幅(1) ア シ ス ト ス ー ツ の 新 た な 負 荷 軽 減 機 構 と し て 剛 性
可 変 ボ ー ン (手 動 ， エ ア ア ク チ ュ エ ー タ 駆 動 )を 提 案
し， 実験によりそ の有効性を検 証した。
時間(2) 健 康 管 理 機 能 と し て 電 気 イ ン ピ ー ダ ン ス に よ る 脈(b) 腰拍計測技術の適用可能性について検討し，必要十分であ ることを確認 した。

振幅(3) 電 気 イ ン ピ ー ダ ン ス に よ る 脈 拍 計 測 デ バ イ ス が 背面ボ ーンへ搭載可 能なことを確 認した。
今後は耐久性や作業時における脈拍測定の安定性等
時間につ いて検討を行 ない，実用化 を目指す。

(c) 背中謝振幅辞本 研究を遂行す るに当たり， 適切なご助言 を頂いた
POSH WELLNESS LABORATORY ㈱ の 根 武 谷 吾 氏 に 感謝し ます。
時間

参考文献

(d) 脇腹図121) 山崎信寿, 高橋直己. 体表面長さ変化を利用した介護者腰各部位 での測定波 形部負担軽減衣服. バイオメカニズム. 2004, vol. 17, p. 235-

‐ ア ル ト マ ン 分 析 10)-12) を 行 な っ た 結 果 を 図 11に 示 す 。

244.

医 療用の 心拍計自 体に ±3拍 /分 の誤差 が許容さ れてい る2) 今村由芽子. 筋力補助効果と体幹安定化効果を持つ軽労

13) こ と を考 慮 し， こ れに 5%の 誤 差 を上 乗 せし た 上下限化装具スマートスーツ・ライト. 北海道大学博士論文.

範 囲 (太 線 内 )に 96.7%以 上 のデ ー タが 含ま れる こ とか ら，2014, 84p.
3) 西條富美代. 姿勢と動作－作業姿勢と負担－. 日本集中治

本計 測技術の応用 は十分妥当で あると判断し た。
さ らに，本 研究に おいて ボー ンへの脈 拍計測 機能 (デ療理学療法科学. 1995, vol. 10, no. 8, p. 127-134.

バ イス )搭載の 可能性 を検討す るために ，腰や 背中，ボ4) 米田貢. “upr×金沢大学×山本寛斎事務所のコラボレーショーンに近いわき腹における計測実験を行なった。胸をンにより実現「サポートジャケットBb＋PRO」販売開始

含 む 各 部 位 に お け る 計 測 波 形 を 図 12に 示 す 。 計 測 波 形”. 米田研究室. https://yoneda-lab.w3.kanazawa-u.ac.jp/pdf/20のうち振幅の大きいものは呼吸に対応しており，その160912-01.pdf, (参照 2022-07-12).

中にある小さな振幅の波形が脈拍に対応している。こ5) ユーピーアール株式会社. “サポートジャケットBb＋FIT

れらの波形を比較した結果，脇腹についてはノイズがSLIM/WIDE”. ユーピーアール株式会社. http://assistsuit.upr

大きく計測には適していないが，腰や背中については-webshop.jp, (参照 2022-07-12).

胸の波形に比べ多少ノイズが大きいものの，呼吸及び

6) 多田泰徳, 井上雅博, 得丸智弘. 導電性インク配線を利用脈拍が十分計測できることを確認した。これによりデした生体電気測定肌着の特性評価. 繊維機械学会誌. vol.

バイスのボーンへの一体化の可能性 が高いことが確認

59, no. 6, p. 141-148.

- 23 -7) 河西奈保子, 小笠原隆行, 中島寛, 塚田信吾. 着るだけで10) Benjamin W Nelson, Nicholas B Allen. Accuracy of Consumer

生体情報計測を可能とする機能素材hitoeの開発及び実用

Wearable Heart Rate Measurement During an Ecologically化. 電子情報通信学会通信ソサイエティマガジン. 2017,

Valid 24-Hour Period: Intraindividual Validation Study. JMIR

vol. 11, no. 1, p.17-23.

Mhealth Uhealth. 2019, vol. 7, iss. 3, e10828, p. 1-16.

8) 損害保険ジャパン日本興亜株式会社. “「シートベルトカ11) 長谷川敬志, 金主賢, 中島一樹. 安静座位・着衣状態でバー型デバイス」による事故防止サービス開発に向けたの脈拍数計測のための光電脈波ラインセンサの開発. 計実証実験開始”. 損害保険ジャパン日本興亜株式会社.

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https://www.sompo-japan.co.jp/-/media/SJNK/files/news/2018/20190313_1.pdf?la=ja-JP#page=1, (参照 2022-07-12).

12) 小竹良文, 佐藤暢一. Bland-Altman法による心拍出量モニタの精度評価. 日本集中治療医学会雑誌. 2009, vol. 16, no.

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3. p. 263-272.
13) JIS T 1304:1998. 心電図監視装置- 24 -