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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-06
(45)【発行日】2024-06-14
(54)【発明の名称】支援機構、及びこれを用いた移動装置
(51)【国際特許分類】
A61G 5/14 20060101AFI20240607BHJP
【ＦＩ】
A61G5/14 711
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2021543084
(86)(22)【出願日】2020-08-28
(86)【国際出願番号】 JP2020032762
(87)【国際公開番号】W WO2021040024
(87)【国際公開日】2021-03-04
【審査請求日】2023-06-02
(31)【優先権主張番号】P 2019159109
(32)【優先日】2019-08-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2019159110
(32)【優先日】2019-08-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2019178827
(32)【優先日】2019-09-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （１）２０１８年１０月２日にＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＩＲＯＳ ２０１８）にて発表（２）Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＩＥＥＥ），Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＩＲＯＳ ２０１８）講演予稿集、第５４５７項～第５４６２項、発行年月日：２０１８年１０月１日（３）平成３１年６月７日にロボティクス・メカトロニクス講演会２０１９にて発表（４）一般社団法人 日本機械学会 ロボティクス・メカトロニクス部門、ロボティクス・メカトロニクス講演会２０１９講演概要集、第２Ａ２－Ａ１０頁、平成３１年６月５日（５）令和元年７月１２日、ジェームズダイソン財団ウェブサイト、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊａｍｅｓｄｙｓｏｎａｗａｒｄ．ｏｒ ｇ／ｊａ－ＪＰ／２０１９／ｐｒｏｊｅｃｔ／ｑｏｌｏ－ｃｈｉｌｄ／
(73)【特許権者】
【識別番号】504171134
【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 健嗣
(72)【発明者】
【氏名】パエズ グラナドス ディエゴ
(72)【発明者】
【氏名】門根 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】江口 洋丞
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 海
【審査官】望月 寛
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－０００５７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５０９５４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２３５８３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１１／１５１６３９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－１８３９７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－３２７４８５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｇ ５／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
姿勢遷移を支援する機構であって、姿勢変化しない第１リンクと、
前記第１リンクに回転可能に連結される第２リンクと、
前記第２リンクを前記第１リンクに対して回転させるアクチュエータと、
を有し、
ユーザの矢状面内で鉛直方向と直交する方向での足首関節と膝関節との相対的な位置関係に基づき、前記アクチュエータは、前記ユーザの上体姿勢の変化によって前記第２リンクと前記第１リンクの連結部の負荷が変化したときに、外部から操作されることなく、膝関節と上体重心との相対的な位置関係、または膝関節角度に応じて前記ユーザに対する支援モーメントを変えながら前記第２リンクを駆動し、
前記アクチュエータは、座位から立位への遷移時に、前記第２リンクを伸展する方向へ回転させ、前記立位から前記座位への遷移時に、前記第２リンクを屈曲する方向へ回転させ、
前記座位から前記立位への遷移時に、前記アクチュエータによって生成される支援モーメントが前記膝関節の伸展にともなって減少し、かつ、前記連結部の負荷モーメントを上回り、
前記立位から前記座位への遷移時に、前記支援モーメントが前記膝関節の屈曲にともなって増加し、かつ前記負荷を下回る、支援機構。
【請求項2】
前記アクチュエータは、動力供給を必要としない受動部品である、請求項１に記載の支援機構。
【請求項3】
ユーザの体形に応じて生成する支援モーメントを調整する支援モーメント調整機構、をさらに有する請求項１または２に記載の支援機構。
【請求項4】
前記第２リンクに回転可能に連結される第３リンクと、前記第２リンクと前記第３リンクの間で力を伝達する力伝達手段と、
を有し、
前記アクチュエータと前記力伝達手段は、前記第２リンクと前記第１リンクの前記連結部の負荷が変化したときに、前記支援モーメントを変えながら、前記第２リンクと前記第３リンクを駆動する、
請求項１～３のいずれか１項に記載の支援機構。
【請求項5】
前記力伝達手段は、座位から立位への遷移時に前記第３リンクを伸展する方向へ回転させる、前記立位から前記座位への遷移時に前記第３リンクを屈曲する方向へ回転させる、請求項４に記載の支援機構。
【請求項6】
前記力伝達手段は、複数のプーリと前記プーリの間に懸架されるワイヤの組み合わせ、または複数の伝達ロッドの組み合わせを有する、請求項４または５に記載の支援機構。
【請求項7】
前記第２リンクに連結される第３リンクと、前記第３リンクに接続される胴ベルトと、
を有し、
前記第２リンクは、前記第１リンクに連結される回転リンクと、前記回転リンクに連結されて姿勢変換時に前記ユーザの大腿部の後ろ側を支持する大腿サポートと、を有し、
前記大腿サポートと前記胴ベルトは、前記ユーザの臀部及び腰部を解放した状態で姿勢変換を支持する、
請求項１～３のいずれか１項に記載の支援機構。
【請求項8】
前記第２リンクに連結される第３リンクと、前記第２リンクに着脱可能に取り付けられる大腿ベルトと、
前記第３リンクに接続される胴ベルトと、
を有し、前記大腿ベルトは前記第２リンクに取り付けられたときに前記ユーザの臀部を解放した状態で前記ユーザの大腿部を支持し、前記胴ベルトは、前記ユーザの腰骨よりも高い位置で前記ユーザの上体を保持するように構成されている、
請求項１～３のいずれか１項に記載の支援機構。
【請求項9】
請求項１～８のいずれか１項に記載の支援機構と、前記支援機構を移動させる車輪と、
を有する移動装置。
【請求項10】
前記ユーザから前記支援機構にかかる圧力分布を検知するセンサ、をさらに有し、前記車輪は前記圧力分布に応じた方向に駆動される、
請求項９に記載の移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、立位と座位の間の姿勢遷移を支援する支援機構と、これを用いた移動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ユーザの上体の体重移動に伴って、座位から立位、または立位から座位に遷移するユーザの動作を支援する機構を備えた姿勢可変立位式移動装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この装置では、足首関節の動きに対応する第１の回動部材と、膝関節の動きに対応する第２の回動部材を用い、第１及び第２の回動部材を個別のアクチュエータで独立に駆動して、足首関節と膝関節の動きを支援している。
【0003】
ユーザの姿勢変換を要する一場面として、排泄がある。順次連結される複数の座板で車椅子の座面を構成し、排泄時に座面に開口が形成される排泄支援車椅子が提案されている（たとえば、特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第６３７７８８８号公報
【文献】特開２００９－１７２１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１の機構では、複数の関節部を個別に駆動する機構で下肢を支援しており、構成が複雑である。また、下肢運動機能に障害のあるユーザに対して、起立動作または着座動作を迅速かつ効率的に支援することが難しい。また、臀部の近傍が固定されており、介助者なしに衣類の上げ下げをすることが難しい。特許文献２の車椅子には、姿勢変換の支援機構は設けられておらず、排泄時にユーザを車椅子から起立させ、車椅子の座面を開いて便座に対応する位置にユーザを座らせる一連の行為に、介助者の支援が必要である。
【0006】
本発明は、簡素化された構成で、下肢運動機能に制限のあるユーザに対して迅速かつ効率的に姿勢遷移を支援する支援機構と、これを用いた移動装置を提供することを目的とする。また、姿勢変換の一態様として、排泄行為を支援する支援機構を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、本発明の一つの態様では、支援機構は、
姿勢変化しない第１リンクと、
前記第１リンクに回転可能に連結される第２リンクと、
前記第２リンクを前記第１リンクに対して回転させるアクチュエータと、
を有し、
ユーザの矢状面内で鉛直方向と直交する方向での足首関節と膝関節との相対的な位置関係に基づき、前記アクチュエータは、前記ユーザの上体姿勢の変化によって前記第２リンクと前記第１リンクの連結部の負荷が変化したときに、外部から操作されることなく、膝関節と上体重心との相対的な位置関係、または膝関節角度に応じて前記ユーザに対する支援モーメントを変えながら前記第２リンクを駆動し、
前記アクチュエータは、座位から立位への遷移時に、前記第２リンクを伸展する方向へ回転させ、前記立位から前記座位への遷移時に、前記第２リンクを屈曲する方向へ回転させ、
前記座位から前記立位への遷移時に、前記アクチュエータによって生成される支援モーメントが前記膝関節の伸展にともなって減少し、かつ、前記連結部の負荷モーメントを上回り、
前記立位から前記座位への遷移時に、前記支援モーメントが前記膝関節の屈曲にともなって増加し、かつ前記負荷を下回る。
姿勢変化しない第１リンクと、
前記第１リンクに回転可能に連結される第２リンクと、
前記第２リンクを前記第１リンクに対して回転させるアクチュエータと、
を有し、
ユーザの矢状面内で鉛直方向と直交する方向での足首関節と膝関節との相対的な位置関係に基づき、前記アクチュエータは、前記ユーザの上体姿勢の変化によって前記第２リンクと前記第１リンクの連結部の負荷が変化したときに、外部から操作されることなく、膝関節と上体重心との相対的な位置関係、または膝関節角度に応じて前記ユーザに対する支援モーメントを変えながら前記第２リンクを駆動し、
前記アクチュエータは、座位から立位への遷移時に、前記第２リンクを伸展する方向へ回転させ、前記立位から前記座位への遷移時に、前記第２リンクを屈曲する方向へ回転させ、
前記座位から前記立位への遷移時に、前記アクチュエータによって生成される支援モーメントが前記膝関節の伸展にともなって減少し、かつ、前記連結部の負荷モーメントを上回り、
前記立位から前記座位への遷移時に、前記支援モーメントが前記膝関節の屈曲にともなって増加し、かつ前記負荷を下回る。
【発明の効果】
【0008】
簡素化された構成で、下肢運動機能に制限のあるユーザの姿勢遷移を迅速かつ効率的に支援することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】平坦面における実施形態の支援機構の動作原理を、従来構造と比較して示す図である。
【図2】斜面における実施形態の支援機構の動作原理を、従来構造と比較して示す図である。
【図3】第１実施形態の支援機構と、これを用いた移動装置の外観図である。
【図4】座位姿勢と立位姿勢での移動装置の使用態様を示す図である。
【図5】座位時の移動装置の側面図である。
【図6】立位時の移動装置の側面図である。
【図7】ユーザの座位姿勢および立位姿勢を説明する図である。
【図8】膝関節周りに働くモーメントの種類と向きを説明する図である。
【図9】ユーザによる負荷を推定するための人体モデルの図である。
【図10】設計時に前提とする姿勢遷移モデルの図である。
【図11】膝関節まわりに働く負荷モーメント推定値、および同推定値に基づく支援モーメントの設計目標値の一例を説明する図である。
【図12】アクチュエータによる支援モーメントの生成を説明する図である。
【図13】アクチュエータの配置検討を説明する図である。
【図14】膝関節角度に応じた支援モーメントの特性の一例を示す図である。
【図15】アクチュエータによる支援モーメント生成のための比較例を示す図である。
【図17】ユーザの体形に応じた支援モーメントの大きさ調整機構の例を示す図である。
【図18】第２実施形態の支援機構を用いた移動装置の模式図であり、座位姿勢のときの支援機構の状態を示す図である。
【図19】第２実施形態の姿勢遷移の支援機構を用いた移動装置の模式図であり、立位姿勢のときの支援機構の状態を示す図である。
【図20】立位姿勢での移動状態を示す図である。
【図21】ｑ２とｑ３の座標系を説明する図である。
【図22】第２実施形態の人体モデルの図である。
【図23】ユーザの姿勢遷移のサイクルを示す図である。
【図26】第２実施形態の支援機構のアクチュエータによる動力生成のモデルである。
【図27】姿勢変換動作中の膝関節モーメントを示す図である。
【図28】膝関節ｑ２まわりのモーメントを説明する図である。
【図29】力伝達システムの構成例を示す図である。
【図32】力伝達システムの別の構成例を示す図である。
【図34】第３リンクのセンサ配置例を示す図である。
【図35】立位式の移動装置の移動制御を説明する図である。
【図36】第３実施形態の支援機構の基本構想を説明する図である。
【図37】第３実施形態の支援機構の基本構想を説明する図である。
【図38】第３実施形態の支援機構の基本構想を説明する図である。
【図39】第３実施形態の支援機構の斜視図であり、立位の状態を示す図である。
【図40】第３実施形態の支援機構の斜視図であり、座位の状態を示す図である。
【図41】立位状態での支援機構の正面図である。
【図42】立位状態での支援機構の側面図である。
【図43】支援機構の立位での使用状態を示す図である。
【図44】支援機構の座位での使用状態を示す図である。
【図45】第３実施形態の支援機構に適用される姿勢変換モデルの模式図である。
【図46】膝関節まわりにフレーム構造体を回転させる受動アクチュエータの原理を説明する図である。
【図47】第３実施形態の変形例の支援機構の斜視図である。
【図48】第３実施形態の変形例の支援機構の側面図である。
【図49】第３実施形態の変形例の支援機構の背面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
実施形態では、公知の構成と異なり、単一のアクチュエータを用いた受動機構により、ユーザの膝関節の動きに対応した姿勢変換の支援力を生成する。より具体的には、姿勢変換する際のユーザの上体の重心と膝関節との相対的な位置関係に応じて、支援モーメントを生成し変化させる。ここで、「上体」とは、人体の腰から上の部分をいい、胴体、上肢、首、及び頭部を含む。支援モーメントの特性には、矢状面内で鉛直方向と直交する方向でのユーザの膝関節と足首関節の相対的な位置関係が反映されている。
【0011】
図１は、平坦面における実施形態の支援機構の動作原理を、従来構造と比較して示す図である。図２は、傾斜面における実施形態の支援機構の動作原理を、従来構造と比較して示す図である。図１と図２で、ユーザの進行方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向、Ｙ方向とＺ方向に直交する方向をＸ方向とする。矢状面はＹ－Ｚ面に対応する。実施形態の支援機構は、座位から立位、あるいは立位から座位に遷移するときに、ユーザの足首関節が膝関節よりも－Ｙ方向の所定位置に固定されることで、安定して姿勢変換できるという知見に基づいている。
【0012】
図１で、平坦面に位置するユーザが、たとえば座位から起立する場合、ユーザの足首関節と膝関節の回転、すなわち、足首関節と膝関節との相対的な位置関係ＰＲ２、及び膝関節と上体重心との相対的な位置関係ＲＰ１によって、必要な足首関節と膝関節の回転の発揮力が定まる。このとき、Ｙ－Ｚ面内で足首関節と膝関節の間のＹ方向の相対的な位置関係ＰＲ２が、足首関節の伸展に必要なエネルギーに影響する。足首関節が膝関節よりも－Ｙ方向に位置することで、足首関節の動きに割り当てられるエネルギーが小さくなり、立位に遷移するための膝関節の回転力が発揮しやすくなる。立位から座位に遷移するときも、ユーザの足首関節が膝関節よりも－Ｙ方向に位置することで、着座動作が安定かつ容易になる。１本のアクチュエータで足首関節と膝関節の両方を適切に伸展させる手段として、ＰＲ２を定めることで、アクチュエータの力を足首関節と膝関節へ適切に分配することができる。
【0013】
これに対し、従来構造ではユーザの膝関節と上体重心との相対的な位置関係ＰＲ１と、足首関節と上体重心との相対的な位置関係ＰＲ３を個別に考えて、膝関節の回転に応じた支援と、足首関節の回転に応じた支援を別々のアクチュエータで実現している。
【0014】
以下の実施形態では、上述した動作原理に基づいて、ユーザの姿勢遷移を支援する機構の具体的な構成を提供する。添付図面において、同じ構成要素には同じ符号を付けて重複する説明を省略する場合がある。
【0015】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について図３～図１７を参照して説明する。第１実施形態では、たとえば座位から立位、または立位から座位への姿勢遷移を支援する支援機構において、単一のアクチュエータでユーザの膝関節の動きに対応した支援動作を実現する。この支援機構は受動機構であり、姿勢遷移支援のための動力の供給は不要である。座位と立位の間を遷移するユーザの姿勢変化に応じて、適切な支援力が生成される。
本発明の第１実施形態について図３～図１７を参照して説明する。第１実施形態では、たとえば座位から立位、または立位から座位への姿勢遷移を支援する支援機構において、単一のアクチュエータでユーザの膝関節の動きに対応した支援動作を実現する。この支援機構は受動機構であり、姿勢遷移支援のための動力の供給は不要である。座位と立位の間を遷移するユーザの姿勢変化に応じて、適切な支援力が生成される。
【0016】
＜装置外観・概要＞
図３は、姿勢遷移の支援機構１０を有する移動装置１の外観を示す概略図である。支援機構１０は、第１リンクＬ１と、第１リンクＬ１に回動可能に連結される第２リンクＬ２を有する。第２リンクＬ２は、リンク本体Ｌ２－ａと、リンク本体Ｌ２－ａに接続されるサポートリンクＬ２－ｂを有する。サポートリンクＬ２－ｂは、リンク本体Ｌ２－ａと一体的に動いてユーザの大腿を支持する。第２リンクＬ２は、後述するアクチュエータによって駆動され、第１リンクＬ１との連結部のまわりに回転して、ユーザの姿勢遷移を支援する。第２リンクＬ２は、機械的に制限された８０度程度の可動域をもつ。
図３は、姿勢遷移の支援機構１０を有する移動装置１の外観を示す概略図である。支援機構１０は、第１リンクＬ１と、第１リンクＬ１に回動可能に連結される第２リンクＬ２を有する。第２リンクＬ２は、リンク本体Ｌ２－ａと、リンク本体Ｌ２－ａに接続されるサポートリンクＬ２－ｂを有する。サポートリンクＬ２－ｂは、リンク本体Ｌ２－ａと一体的に動いてユーザの大腿を支持する。第２リンクＬ２は、後述するアクチュエータによって駆動され、第１リンクＬ１との連結部のまわりに回転して、ユーザの姿勢遷移を支援する。第２リンクＬ２は、機械的に制限された８０度程度の可動域をもつ。
【0017】
第１リンクＬ１と第２リンクＬ２の連結部は、ユーザの膝関節位置Ｐ１に相当する。第２リンクＬ２のサポートリンクＬ２－ｂの端部は、ユーザの股関節位置Ｐ２に相当する。
【0018】
第１リンクＬ１は、移動装置１または床上懸架台などに固定されて、ユーザの足部と下腿を支持する。第１リンクＬ１に、ユーザの膝の位置を保持する膝関節サポート部材２８が設けられていてもよい。また、第２リンクＬ２に、ユーザの臀部を支持する支持帯１６が接続されていてもよい。図示はしないが、必要に応じて、大腿部を支えるストラップまたは臀部から大腿部を覆う座面様の構造物等が第２リンクＬ２に接続されていてもよい。
【0019】
支援機構１０を有する移動装置１は、一対の前輪２と、一対の後輪３を有する。前輪２は、たとえば主輪であり、移動装置１を駆動する。後輪３は従輪であり、旋回可能に取り付けられている。後輪３を小径車輪とすることで、椅子、ベンチなど、ユーザが着座しようとする対象物に移動装置１を近接させることができる。前輪２と後輪３の間に、フットレスト４が配置されている。第１リンクＬ１は、フットレスト４、前輪２と後輪３をつなぐフレーム、移動装置１のベース等に固定され得る。
【0020】
なお、必ずしも前輪２を主輪、後輪３を従輪とする必要はなく、前輪２を従輪、後輪３を駆動輪としてもよい。この場合、前輪２をキャスター式の従輪にしてもよい。
【0021】
図３の例では、支援機構１０は移動装置１に組み込まれているが、移動装置１への適用に限定されず、モータ駆動システムとの組み合わせが可能である。支援機構１０に床上懸架台などを取り付け、ユーザの姿勢遷移を支援することも可能である。たとえば、リハビリテーション室、ユーザの居室などに支援機構１０を配置して、リハビリテーション、エクササイズ、移乗や入浴等の日常生活の支援等に用いることができる。
【0022】
図４は、座位と立位で支援機構１０と移動装置１を組み合わせた使用態様を示す図である。図４（Ａ）で、たとえばユーザは、椅子、ベンチ等の所望の席に座っている。ユーザは、移動装置１に固定された第１リンクＬ１を両足で挟んだ状態で着座している。後輪３は、椅子のシートの下に入り込むことができ、ユーザは所望の深さで着席することができる。ユーザの大腿部を支える第２リンクＬ２は、床とほぼ水平な角度に倒れている。
【0023】
図４（Ｂ）で、ユーザが起立すると、ユーザの膝関節は、床に対して約８０度まで伸展する。ユーザは、第１リンクＬ１を両足で挟んだ状態のまま起立する。このとき、ユーザの大腿部を支える第２リンクＬ２は、床面から８０度近くの角度に立ち上がる。第２リンクＬ２のうち、ユーザの大腿部に相当するサポートリンクＬ２－ｂ（図３参照）は、たとえばＹ字型のリンクである。Ｙ字の２つの分岐部は、ユーザの両側の大腿部に向かって延びている。第２リンクＬ２のサポートリンクＬ２－ｂの形状はユーザ前方に配置されたＹ字型構造に限定されず、Ｕ字型、アーチ型などであってもよいし、ユーザの大腿部を支えることができれば、必ずしも分岐していなくてもよく、ユーザ後方に座面様に配置してもよい。
【0024】
支援機構１０は受動機構であり、駆動力の供給は不要であるが、移動装置１には、前輪２を駆動する駆動機構と、移動制御のためのコントローラが設けられている。たとえば、前輪２に内蔵されたモータで前輪２を駆動するインホイールモータが設けられていてもよい。
【0025】
起立したユーザの上体姿勢によって、前輪２の回転方向が変わって、ユーザは立位のまま、所望の方向に移動することができる。また、一対の前輪２の左右の回転速度差によって、旋回、その場での回転等が可能になる。
【0026】
＜機構説明＞
図５と図６は、移動装置１の構造を側面から説明する図であり、それぞれ座位時と立位時の様子を表している。移動装置１は、支援機構１０でユーザの姿勢を支援しながら、所望の場所にユーザを移動させる。
図５と図６は、移動装置１の構造を側面から説明する図であり、それぞれ座位時と立位時の様子を表している。移動装置１は、支援機構１０でユーザの姿勢を支援しながら、所望の場所にユーザを移動させる。
【0027】
支援機構１０に設けられる第２リンクＬ２は、回転節１５によって第１リンクＬ１に連結されている。第２リンクＬ２は、アクチュエータ１４によって着座位置と起立位置の間を遷移するが、第１リンクＬ１は固定である。アクチュエータ１４の固定端は、第１リンクＬ１上の適切な箇所に固定されており、他端は、第２リンクＬ２のリンク本体Ｌ２－ａに固定されている。第２リンクＬ２は、回転節１５の回転によってその姿勢が変化する。第２リンクＬ２の姿勢変化によってアクチュエータ１４の他端の位置が変化する。この意味で、アクチュエータ１４の他端を「可動端」と呼んでもよい。
【0028】
アクチュエータ１４は、ユーザの上体姿勢の変化により第１リンクＬ１と第２リンクＬ２を連結する回転節１５にかかる負荷に応じて、支援機構１０における姿勢変換支援のための動作を効果的に誘起できる位置に設置されている。アクチュエータ１４の可動端は、第２リンクＬ２を回動させてユーザの姿勢遷移を支援できる適切な位置に固定される。アクチュエータ１４の固定端は、第１リンクＬ１上に設定されてもよいし、ベース１３やその他の箇所に固定されてもよい。
【0029】
図５、及び図６の例では、アクチュエータ１４として、３本一組のガススプリングを用いているが、液圧を利用した粘弾性ダンパー、コイルスプリング、ゴムバネなど、適切な弾性部材を用いることができる。また、アクチュエータ１４として回転節１５付近にぜんまいバネやねじりコイルバネ等を用いてもよい。一組のガススプリングを用いる場合でも、第２リンクＬ２を第１リンクＬ１に対して駆動するアクチュエータという意味で、単一のアクチュエータである。この点は、足首関節に相当する第１部分と、膝関節に相当する第２部分をそれぞれ複数のアクチュエータで駆動する公知技術と大きく異なる。
【0030】
図５の座位の状態で、第２リンクＬ２は基準面ＲＰに対して平行に近い角度に保持される。支援機構１０の回転節１５は、第１リンクＬ１に対して第２リンクＬ２が直線または直線に近い姿勢となるよう回動させて、ユーザの起立動作を支援する。その結果、第２リンクＬ２は基準面ＲＰに対して垂直に近い角度に持ち上がり、図６の起立状態へ遷移する。ユーザの股関節位置Ｐ２に対応する位置に、臀部の支持帯１６が取り付けられていてもよい。
【0031】
図５の状態で、アクチュエータ１４は圧縮され、基準面ＲＰからほぼ垂直な方向への付勢力をもっているが、アクチュエータ１４は任意の伸長でロックすることができる。ユーザが起立するためにロックを解除すると、アクチュエータ１４の付勢力が解放され、第２リンクＬ２を押し上げて、ユーザの姿勢を起立する方向に支援する。図６の立位の状態では、アクチュエータ１４の付勢力は最小になっており、ユーザから第１リンクＬ１と第２リンクＬ２の連結部にかかる負荷も最小となっている。この状態で、アクチュエータ１４をロックすれば上体の姿勢に関わらず起立姿勢を維持することが可能である。
【0032】
図６の状態から着座するときは、アクチュエータ１４のロックを解除し、ユーザが着座のために上体を後傾させることで、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２の連結部にかかる負荷が増加する。着座の全過程で、アクチュエータ１４の付勢力が、着座しようとするユーザからの負荷を若干下回るようにシステムを設計することで、ユーザの着座の動作を安定して支援することができる。アクチュエータ１４からの支援力と、ユーザからの負荷の関係については、以下でより詳細に説明する。
【0033】
図７は、ユーザの座位姿勢および立位姿勢を説明する図である。図７の例では、座位姿勢と立位姿勢でユーザの足首関節の角度にはほとんど変化がないが、足首関節のまわりにある程度の回転の余裕をもたせるようこれに対応する第１リンクＬ１がベース１３に対して回動してもよい。ユーザの足首関節と膝関節を結ぶ線分と、基準面ＲＰとが成す角度（足首関節の角度θａ）は、約１００度で一定である。一方、ユーザの膝関節と股関節を結ぶ線分と、基準面ＲＰとが成す角度（膝関節角度θｋ）は、約０度と約８０度の間で変化する。ここで、それぞれの角度は正確にその角度ちょうどを意味するのではなく、おおよその角度を意味し、例えば膝関節の場合には９０度近くまで伸びる場合も含むものとする。実施形態の支援機構１０は、足首関節の角度θａ、または足首関節と膝関節との相対的な位置関係ＰＲ２（図１参照）に基づいて、ユーザの膝関節の動きを効率的に支援する。
【0034】
図５における着座位置では、膝関節に対応する回転節１５と股関節位置Ｐ２を結ぶ線分は、基準面ＲＰと平行である。ユーザの起立動作にともなって回転節１５が回転し、第２リンクＬ２は伸展する方向に動く。回転節１５と股関節位置Ｐ２を結ぶ線分と、基準面ＲＰとが成す膝関節角度θｋ（図７参照）は、０度から８０度までの範囲内で増大する。ここで、「伸展」とは第１リンクＬ１と第２リンクＬ２が直線または直線に近い姿勢となるための姿勢変化をいう。
【0035】
ユーザの着座動作にともなって回転節１５が回転すると、第２リンクＬ２は屈曲して、基準面ＲＰとほぼ平行になるまで、すなわちθｋが０度になるまで移動する。ここで、「屈曲」とは「伸展」と逆方向の姿勢変化をいう。アクチュエータ１４は、ユーザから回転節１５にかかる負荷モーメントに応じて第２リンクＬ２を「伸展」させ、「屈曲」させることのできる任意の構成を取り得る。
【0036】
＜原理説明＞
図８は、ユーザの膝関節に作用するユーザ由来の負荷モーメントと支援モーメントの関係を説明する図である。膝関節まわりには、着座方向へ作用する負荷モーメントτＨＢＭと、起立方向へ作用する支援モーメントτＡＧが同時に作用する。負荷モーメントτＨＢＭは重力とユーザの姿勢により生じる。支援モーメントτＡＧはアクチュエータ１４の作用により生じる。結果的に、負荷モーメントτＨＢＭと支援モーメントτＡＧの合モーメントτが膝関節まわりに作用する。ユーザが起立動作または着座動作をするときに、ユーザからかかる負荷モーメントτＨＢＭの変化によって合モーメントτの向きと大きさが変化し、回転節１５が回転してユーザの動作を支援する。支援機構１０は、このようなバランスの変化に応じて動作し、電源供給や制御装置を要しない。設計段階では、ユーザによる姿勢変換中の負荷モーメントτＨＢＭを予測し、これに基づいて適切な支援モーメントτＡＧが発生するようにアクチュエータ１４の特性、配置等が計算される。
図８は、ユーザの膝関節に作用するユーザ由来の負荷モーメントと支援モーメントの関係を説明する図である。膝関節まわりには、着座方向へ作用する負荷モーメントτＨＢＭと、起立方向へ作用する支援モーメントτＡＧが同時に作用する。負荷モーメントτＨＢＭは重力とユーザの姿勢により生じる。支援モーメントτＡＧはアクチュエータ１４の作用により生じる。結果的に、負荷モーメントτＨＢＭと支援モーメントτＡＧの合モーメントτが膝関節まわりに作用する。ユーザが起立動作または着座動作をするときに、ユーザからかかる負荷モーメントτＨＢＭの変化によって合モーメントτの向きと大きさが変化し、回転節１５が回転してユーザの動作を支援する。支援機構１０は、このようなバランスの変化に応じて動作し、電源供給や制御装置を要しない。設計段階では、ユーザによる姿勢変換中の負荷モーメントτＨＢＭを予測し、これに基づいて適切な支援モーメントτＡＧが発生するようにアクチュエータ１４の特性、配置等が計算される。
【0037】
＜負荷モーメントτＨＢＭの見積り＞
図９は、ユーザによる負荷モーメントτＨＢＭを推定するための人体モデルである。基準面ＲＰと平行な面ＰＬ１を参照して膝関節角度θｋ、同じくＰＬ２を参照して股関節角度θｈをとり、膝関節および股関節を節として下腿、大腿および上体に相当するリンクにより人体をモデル化する。ここで、股関節角度θｈは、ユーザの股関節と肩峰を結ぶ線分と基準面ＲＰまたは面ＰＬ２とが成す角度とする。大腿および上体に相当するリンクにはそれぞれの重心位置を示し、重力およびこれら重心位置の関係により膝関節に生じる負荷モーメントτＨＢＭを示す。
図９は、ユーザによる負荷モーメントτＨＢＭを推定するための人体モデルである。基準面ＲＰと平行な面ＰＬ１を参照して膝関節角度θｋ、同じくＰＬ２を参照して股関節角度θｈをとり、膝関節および股関節を節として下腿、大腿および上体に相当するリンクにより人体をモデル化する。ここで、股関節角度θｈは、ユーザの股関節と肩峰を結ぶ線分と基準面ＲＰまたは面ＰＬ２とが成す角度とする。大腿および上体に相当するリンクにはそれぞれの重心位置を示し、重力およびこれら重心位置の関係により膝関節に生じる負荷モーメントτＨＢＭを示す。
【0038】
図１０は、設計時に前提とするユーザ姿勢遷移モデルを示す。図１１は、姿勢遷移の型と膝関節まわりに働く負荷モーメントτＨＢＭの推定値、および負荷モーメント推定値に基づく支援モーメントの設計目標値の一例を説明する図である。図１０のグラフは図９で定義した膝関節角度θｋ、及び股関節角度θｈの起立動作および着座動作中の遷移を示す。この遷移特性に基づき、図９の人体モデルを用いて負荷モーメントτＨＢＭを求めた結果を、図１１のグラフに示す。負荷モーメントの推定値は、適用対象や装置質量などの設計要件によって変わり得る。図１１は、図９のモデルに基づくひとつの設計例であるが、負荷モーメントτＨＢＭと支援モーメントτＡＧの関係と変化の傾向は、図１１に示されるようになる。実施例の設計にあたっては、支援モーメントτＡＧの特性目標値を起立動作時および着座動作時それぞれの負荷モーメントの平均値とするが、図８に示すモーメントの釣り合いに応じた姿勢遷移支援が可能であれば、どのような支援モーメント特性目標値を設定してもよい。
【0039】
＜τＡＧ生成機構の設計＞
図１２は、アクチュエータ１４による支援モーメントの生成を説明する図である。図１２では、アクチュエータとして弾性体１４１を用いる。支援機構１０は、基準面ＲＰに対して姿勢が固定される第１リンクＬ１、回転節１５によって第１リンクＬ１に対して回転可能に連結される第２リンクＬ２、及び、第２リンクＬ２を駆動する弾性体１４１によって模式化される。
図１２は、アクチュエータ１４による支援モーメントの生成を説明する図である。図１２では、アクチュエータとして弾性体１４１を用いる。支援機構１０は、基準面ＲＰに対して姿勢が固定される第１リンクＬ１、回転節１５によって第１リンクＬ１に対して回転可能に連結される第２リンクＬ２、及び、第２リンクＬ２を駆動する弾性体１４１によって模式化される。
【0040】
弾性体１４１は第１リンクＬ１および第２リンクＬ２に対して反発力を伝え、回転節１５まわりに第２リンクＬ２を伸展させる方向へ支援モーメントτＡＧを生成する。
【0041】
この支援モーメントτＡＧは、第１リンクＬ１に対する第２リンクＬ２の姿勢に応じてその大きさが決まる。
【0042】
着座状態から起立しようとする遷移開始相において、膝関節におけるユーザ負荷モーメントτＨＢＭが最も大きくなる。これは、図９で、膝関節まわりの負荷モーメントτＨＢＭは、膝関節に対する大腿の重心（ＣＭ１）および上体の重心（ＣＭ２）との水平方向の距離で決まるところ、着座位置で重心位置までの距離が最大になるからである。
【0043】
弾性体１４１は、この負荷と釣り合うような支援モーメントτＡＧを生成するよう仕様を選定し取り付け位置が設計されるので、理想的な支援モーメントτＡＧの大きさは着座状態からの起立動作開始時に最も大きくなる。ユーザが立ち上がって身体全体が鉛直方向に伸びるにつれて、すなわち、膝関節に対する大腿の重心（ＣＭ１）および上体の重心（ＣＭ２）との水平方向の距離が小さくなるにつれて、膝関節まわりの負荷モーメントτＨＢＭが小さくなり、この負荷と釣り合うような支援モーメントτＡＧを生成するよう設計されるので支援モーメントτＡＧも小さくなる。
【0044】
立位から着座しようとするときは、着座のための膝の屈曲が大きくなるほど膝関節に作用する負荷モーメントτＨＢＭが大きくなる。弾性体１４１は、この負荷と釣り合うような支援モーメントτＡＧを生成するので、理想的な支援モーメントτＡＧは着座の直前で最も大きくなる。
【0045】
図１３は、アクチュエータ１４の配置検討を説明する図である。ユーザが着座する椅子など外部環境に依存する拘束条件や、装置内の他部品との配置関係を満たすため、アクチュエータ１４の固定端の位置は、固定端の配置可能領域Ａ１の範囲内で適切に設計される。同様にアクチュエータ１４の可動端は、第２リンクＬ２上の配置可能領域Ａ２の範囲内に固定されている。図１１で設定した支援モーメント特性目標値に近い特性が得られるよう、配置可能領域Ａ１およびＡ２におけるアクチュエータ１４の固定端および可動端の固定位置、ならびにアクチュエータ１４のばね定数などの特性を組み合わせて検討する。
【0046】
図１４は、実施例の設計検討の結果として得られた膝関節角度に応じた支援モーメントの特性の一例を示す図である。横軸は膝関節角度θｋ（度）、縦軸は弾性体１４１が回転節１５まわりに生成する支援モーメントτＡＧである。膝関節角度θｋ＝０度のときが座位に対応し、膝関節角度θｋ＝８０度のときが立位に対応する。膝関節角度θｋが大きくなるほど支援モーメントτＡＧは減少する。
【0047】
弾性体１４１の固定端および可動端の位置およびばね定数などの特性は、図１０及び図１１の検討で得られた目標の支援モーメントと生成される支援モーメントτＡＧとの各膝関節角度θｋにおける差分（たとえば目標値に対する誤差の二乗和）が最小となるように決められる。図１４の支援モーメント特性は図１１の支援モーメント（τＡＧ）設計目標値とは完全に一致しないが、ユーザが起立動作や着座動作を行う際に胴体角度を微調整することにより補完される。
【0048】
図１５は、アクチュエータ１４による支援モーメント生成の参考例を示す。参考例では、アクチュエータとしてぜんまいバネ１４２を用いる。支援機構１０Ａは、基準面ＲＰに固定される第１リンクＬ１、回転節１５によって第１リンクＬ１に対して回転可能に連結される第２リンクＬ２、及び、回転節１５に設けられるぜんまいバネ１４２によって模式化される。
【0049】
回転節１５にぜんまいバネ１４２を内蔵し、膝関節角度θｋに応じて、膝関節支援のための支援モーメントτＡＺを発生させる。
【0050】
図１６は、図１５の構成による支援モーメントτＡＺの特性を、図１２の構成による支援モーメントτＡＧの特性とともに示す。回転節１５に内蔵されるぜんまいバネを用いると、支援モーメントτＡＺの変化率は支援モーメントτＡＧと比較して小さくなるが、姿勢遷移するユーザの膝関節に生じる負荷モーメントτＨＢＭの変化に追従して支援モーメントを生成することは、なおも可能である。図１２の構成では、ユーザの膝関節に生じる負荷モーメントτＨＢＭに基づき、理想的な支援モーメントとの誤差が最小になるように弾性体１４１が取り付けられているので、膝関節にかかる負荷モーメントτＨＢＭに応じた支援モーメントτＡＧの生成が可能である。
【0051】
図１５の構成でも、図１６のτＡＧのように座位時に大きな支援モーメントが得られ、立位時に小さな支援モーメントが得られるように、ぜんまいばね１４２のばね力を設計することで、支援モーメントτＡＺをユーザの負荷モーメントの変化により追従させて生成することができる。ここで、図１６のグラフは、膝関節角度θｋに対する支援モーメントの傾向を表したものであり、実際の大きさの比を表すものではない。
【0052】
これにより、ユーザは自身の意思で上体を動かし、膝関節に作用する負荷モーメントτＨＢＭと、支援機構１０による支援モーメントτＡＧ（またはτＡＺ）との平衡状態を制御して、起立動作と着座動作を行うことができる。この性質を利用して、ユーザは姿勢変換動作中に、任意の姿勢で動作の停止と再開を任意にすることも可能である。
【0053】
下肢を随意に制御できないユーザであっても、ユーザ自らが上体を動かして座位と立位の間で姿勢を変えることができる。ユーザの上体の動きに基づいて姿勢変換を支援するため、脊髄損傷、脳卒中、脳性麻痺等により下肢運動機能に制限のあるユーザのリハビリテーション訓練での起立動作、着座動作の支援にも好適である。
【0054】
設計例では、図１４の支援モーメント特性で、身長１８０ｃｍ、体重７２ｋｇのユーザに対する支援に最適化されているが、ユーザの身長、体重、下肢の状態等に応じて、アクチュエータ１４によって生成されるモーメント特性を最適化することができる。以下で説明する支援モーメント調整機構を設けることで、たとえば身長１４５ｃｍ～１８０ｃｍ、体重４０ｋｇ～１００ｋｇの範囲でユーザの体格に適した支援モーメントを生成することができる。
【0055】
図１７は、ユーザの体形に応じた支援モーメント調整機構４０の構成例を示す。支援モーメント調整機構４０は、第２リンクＬ２を第１リンクＬ１に対して回転させるアクチュエータ１４の可動端の取り付け位置を配置可能領域Ａ２内で可変にする。これにより、身長や体重の異なるユーザに最適な支援モーメントを提供する。
【0056】
アクチュエータ１４の固定端は、配置可能領域Ａ１（図１３参照）内で、第１リンクＬ１に固定されている。アクチュエータ１４の可動端の取り付け位置は、ｙ１とｙ２の間で変更可能である。たとえば、ｙ１とｙ２の間に取り付け部を複数個設けて、複数段階に切替可能にしてもよいし、可動端の取り付け位置を連続的に変化可能にして、所望の位置でロックする構成にしてもよい。体形の小さいユーザには、アクチュエータ１４の可動端の位置を取り付け点ｙ１、またはその近傍に設定する。体形の大きなユーザには、アクチュエータ１４の可動端の位置を取り付け点ｙ２、またはその近傍に設定する。取り付け点ｙ２を選択したときは、取り付け点ｙ１と比較して膝関節（回転軸）からのモーメントアームが長くなり、より大きな支援モーメントを生成することができる。
【0057】
一例として、想定するユーザの最小体形を身長１４５ｃｍ、体重４０ｋｇと想定し、最大体形を身長１９０ｃｍ、体重１００ｋｇと想定する。まず、最大体形について第１リンクＬ１上での固定端取り付け点、第２リンクＬ２上での可動端取り付け点ｙ２、アクチュエータ１４の仕様を決定する。次に、アクチュエータ１４の固定端取り付け点の位置と仕様を前記で求めたものとして、最小体形について第２リンクＬ２上での取り付け点ｙ１を決定する。ｙ１とｙ２を結ぶ線分（直線でも曲線でもよい）上に複数の取り付け点を設け、アクチュエータ１４の可動端の取り付け位置を変更可能にする。これにより、支援機構１０のユーザの体形が広範囲にばらついても、ユーザの姿勢遷移を支援することができる。
【0058】
以上述べたように、実施形態の支援機構１０において、単一のアクチュエータ１４は、起立動作の全範囲にわたって、ユーザから支援機構１０にかかる負荷モーメントτＨＢＭを上回る支援モーメントτＡＧを生成し、かつ、膝関節の伸展に応じて支援モーメントτＡＧを変化させる。
【0059】
アクチュエータ１４は、着座動作の全範囲にわたって、ユーザから支援機構１０にかかる負荷モーメントτＨＢＭよりも小さい支援モーメントτＡＧを生成し、かつ、膝関節の屈曲に応じて、支援モーメントτＡＧを変化させる。
【0060】
支援機構１０に移動装置１を組み合わせて用いることで、座位姿勢で使用する既存の車椅子の代替として立位式の移動支援装置が提供される。
【0061】
実施形態の支援機構で、座位で曲げていた膝が伸び始めてから起立状態に達するまでにかかる時間は約２．５秒であり、個別アクチュエータを用いてそれぞれ足首関節と膝関節の回転を支援する従来構成と比較して、起立時間を約１／４から１／５に短縮することができる。着座動作では、着座のために膝を曲げ始めてから着座状態に達するまでの時間は、約２．３秒であり、従来構成と比較して約１／４に短縮することができる。これにより、迅速かつ効率的に姿勢遷移を支援することができる。
【0062】
＜使用例の説明＞
１．装置の着脱
支援機構１０の本体から支持帯１６を取り外し、椅子やベッドなど腰掛けられる座面上に敷く。ユーザはその上に腰掛けるようにして支持帯１６を装着する。座位姿勢をとらせた支援機構１０をユーザの脚前方から接近させ、フットレスト４に両足を収める。支援機構１０を更に接近させると、ユーザの膝関節が膝関節サポート部材２８に収まり、同時に支持帯１６が支援機構１０の第２リンクＬ２との接続位置へ達する。支持帯１６と第２リンクＬ２の連結操作を行い装着操作が完了する。装置を取り外す際には、座位姿勢をとり装着操作を逆の順序で行う。
１．装置の着脱
支援機構１０の本体から支持帯１６を取り外し、椅子やベッドなど腰掛けられる座面上に敷く。ユーザはその上に腰掛けるようにして支持帯１６を装着する。座位姿勢をとらせた支援機構１０をユーザの脚前方から接近させ、フットレスト４に両足を収める。支援機構１０を更に接近させると、ユーザの膝関節が膝関節サポート部材２８に収まり、同時に支持帯１６が支援機構１０の第２リンクＬ２との接続位置へ達する。支持帯１６と第２リンクＬ２の連結操作を行い装着操作が完了する。装置を取り外す際には、座位姿勢をとり装着操作を逆の順序で行う。
【0063】
２．起立着座動作
姿勢を変更する際には、アクチュエータ１４のロックを解除して膝関節可動状態とする。起立動作はユーザが上体を前方へ傾けることにより、着座動作は後方へ傾けることにより誘起され、上体の姿勢を調整することにより姿勢遷移動作を任意に停止または反転させることが可能である。所望の姿勢に到達し膝関節の動作が停止した後にアクチュエータ１４をロックして膝関節を固定状態とする。この操作により安全に装置を脱着したり、立位または座位姿勢を維持したまま自由な上体姿勢をとったりすることが可能となる。
姿勢を変更する際には、アクチュエータ１４のロックを解除して膝関節可動状態とする。起立動作はユーザが上体を前方へ傾けることにより、着座動作は後方へ傾けることにより誘起され、上体の姿勢を調整することにより姿勢遷移動作を任意に停止または反転させることが可能である。所望の姿勢に到達し膝関節の動作が停止した後にアクチュエータ１４をロックして膝関節を固定状態とする。この操作により安全に装置を脱着したり、立位または座位姿勢を維持したまま自由な上体姿勢をとったりすることが可能となる。
【0064】
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２に加えて、第３リンクＬ３を用いて姿勢遷移中のユーザの胴体を安定化し、膝関節の動きと胴体の動作を連動させる。
第２実施形態では、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２に加えて、第３リンクＬ３を用いて姿勢遷移中のユーザの胴体を安定化し、膝関節の動きと胴体の動作を連動させる。
【0065】
【0066】
支援機構１１０は、移動装置１０１のベース１３に固定される第１リンクＬ１と、第１リンクＬ１に回動可能に連結される第２リンクＬ２と、第２リンクＬ２を第１リンクＬ１に対して回動させるアクチュエータ１４を有する。第１リンクＬ１と第２リンクＬ２は、回転節１５によって連結されている。
【0067】
支援機構１１０はまた、第２リンクＬ２に連結される第３リンクＬ３と、第３リンクＬ３を第２リンクＬ２に対して回転可能に連結する回転節１７とを有する。後述するように、第３リンクＬ３と第２リンクＬ２の間に力伝達システムを設けることで、単一のアクチュエータ１４を用い、かつ、膝関節ｑ２の動作と腰関節ｑ３の動作を同期させて、ユーザの姿勢遷移を支援することができる。
【0068】
アクチュエータ１４は、ユーザの上体姿勢変化により第１リンクＬ１と第２リンクＬ２を連結する回転節１５にかかる負荷が変動したときに、支援機構１１０における姿勢変換支援のための動作を誘起する。アクチュエータ１４によって第２リンクＬ２に働く力をＦaとする。
【0069】
第３リンクＬ３は、ユーザの上体を支えており、姿勢遷移中においては、ユーザの上体から第３リンクＬ３経由で第２リンクＬ２へ伝達される力が、後述する力伝達システムによって線形化される。ここで、伝達される力を「線形化」するとは、膝関節ｑ２の角度に対する、膝関節ｑ２にかかる腰関節ｑ３由来の力を単調増減させることを指す。腰関節ｑ３の動きに由来する力を線形化することで、ユーザの起立及び着座動作がスムーズになる。この支援機構１１０は、動力供給を必要としない受動式の支援機構である。
【0070】
図１８、及び図１９の例では、アクチュエータ１４として一組のガススプリングを用いているが、液圧を利用した粘弾性ダンパー、コイルスプリング、ゴムバネなど、適切な弾性部材を選択することができる。一組のガススプリングを用いる場合でも、第２リンクＬ２を第１リンクＬ１に対して駆動するアクチュエータという意味で、単一のアクチュエータである。この点は、足首関節に相当する第１部分と、膝関節に相当する第２部分を個別のアクチュエータで駆動する公知技術と大きく異なる。
【0071】
第１リンクＬ１は、ベース１３に固定されて、ユーザの足部と下腿を支持する。第１リンクＬ１に、ユーザの膝の位置を保持する部品１８が設けられていてもよい。実際の使用時に、部品１８の外側にユーザとのインターフェースとなる膝サポートが配置され得る。第２リンクＬ２は、ユーザの大腿に相当し、回転節１５によって第１リンクＬ１と接続されている。第２リンクＬ２は、機械的に制限された９０度程度の可動域をもつ。第３リンクＬ３は、ユーザの腰関節ｑ３に相当する回転節１７で第２リンクＬ２に連結されて、ユーザの腹部周辺で胴体を支える。回転節１７には、ユーザの臀部を支持する支持帯１６が接続されていてもよい。また、第２リンクＬ２に、大腿部を支えるストラップ１９を接続されていてもよい。
【0072】
図１８の座位状態で、第２リンクＬ２はベース１３または移動面に対して水平に近い角度に保持される。第３リンクＬ３は、座位から起立しようとするユーザの腹部周辺で胴体を支えるために、第２リンクＬ２から斜め上方に向かって位置する。ユーザが座位から立位に姿勢を変えるときに、膝関節ｑ２は矢印ｑ２の方向に動き、腰関節ｑ３は矢印ｑ３の逆方向に動く。膝関節ｑ２に相当する回転節１５は、矢印ｑ２の方向に回転して、ユーザの起立動作を支援する。この支援動作は、アクチュエータ１４によって起立方向に作用するモーメントと、ユーザの上体姿勢によって着座方向に作用するモーメントの釣り合いまたは合力に基づく。
【0073】
回転節１５が矢印ｑ２の方向に回転するとき、第２リンクＬ２と第３リンクＬ３を連結する回転節１７は、矢印ｑ３と逆の方向に角度が変化し、第３リンクＬ３を紙面の上方に向かって押し上げ、起立しつつあるユーザの上体を安定して支える。この動作の詳細については、後述する。
【0074】
図１９の立位で、第２リンクＬ２はベース１３または移動面に対して垂直に近い角度に持ち上がる。第３リンクＬ３は、起立したユーザの胴体を支持するために、第２リンクＬ２が起き上がった方向とほぼ平行に位置する。
【0075】
支援機構１１０を有する移動装置１０１には、一対の前輪２と、一対の後輪３が設けられている。前輪２は主輪であり、移動装置１０１を駆動する。起立したユーザの上体姿勢によって、ベース１３に対する前輪２の回転方向が変わって、ユーザは立位のまま、所望の方向に移動することができる。また、一対の前輪２の左右の回転速度差により、旋回、その場での回転等が可能になる。
【0076】
後輪３は従輪として旋回可能に取り付けられていてもよい。後輪３を旋回可能な車輪とすることで、椅子、ベンチなど、ユーザが着座しようとする対象物に移動装置１を近接させることができる。
【0077】
図２０は、立位での搭乗状態を示す図である。ユーザは、ベース１３に固定された第１リンクＬ１を両足で挟んで起立している。この例では、膝関節サポート部材２８が使用されている。膝関節サポート部材２８は、図１８及び図１９に示した部品１８を内側に収容していてもよい。回転節１５で第１リンクＬ１に連結される第２リンクＬ２は、たとえばＹ字型のリンクである。Ｙ字の２つの分岐は、ユーザの腰の両側に向かって延び、分岐端のそれぞれで、回転節１７によって第３リンクＬ３に連結されている。第３リンクＬ３は、たとえばＵ字型のリンクである。
【0078】
ユーザが座位から起立するときは、ユーザからかかる負荷の変化に応じて支援モーメントとの大小関係が変化することにより回転節１５が回転して、ユーザの起立動作を支援する。このとき、第３リンクＬ３は第２リンクＬ２と同期して、ユーザの胴体下部を安定して支える。
【0079】
図２０のように、Ｙ字型の第２リンクを用いる場合、Ｙ字の分岐のそれぞれにアクチュエータ１４が接続されていてもよいし、分岐点に一つのアクチュエータが設けられていてもよい。第２リンクＬ２の形状はＹ字型に限定されず、Ｕ字型、アーチ型などであってもよいし、かならずしも分岐していなくてもよい。
【0080】
ユーザの姿勢変換を支援する支援機構１１０は、アクチュエータ１４（図１８参照）による支援モーメントとユーザからの負荷モーメントのバランスの変化に応じて動作し、電源供給や外部からの制御を要しない。膝関節ｑ２の姿勢によって一意に決まる支援モーメントと、それに対抗するユーザからの負荷モーメントの和が、起立する方向を向くか着座する方向を向くかによって、その方向への支援動作が誘起される。なお、設計段階では、ユーザによる負荷モーメントを予測し、これに基づいて適切な支援モーメントが発生するようにアクチュエータ１４の種類、配置等が計算される。
【0081】
一方、移動装置１０１には、図示はしないが、前輪２を駆動する駆動機構と、移動制御のためのコントローラが設けられている。一例として、前輪２の近傍に設けられたモータで直接前輪２を駆動するインホイールモータが設けられていてもよい。
【0082】
支援機構１１０は、図２０の構成の移動装置１０１だけではなく、標準的な車いす用のインホイールモータシステムと組み合わせることができる。第１リンクＬ１は、ベース１３に固定される替わりに、適用される移動体の支持体（シャーシなど）に固定されてもよい。支援機構１１０は、必ずしも移動体に適用される必要はなく、移動しない台等に固定されて支援動作を行ってもよい。この場合も、ユーザの姿勢遷移により支援機構１１０にかかる負荷に対応して、最適な支援力をユーザに伝達する。
【0083】
図２１は、支援機構１１０におけるｑ２とｑ３の座標系を説明する図である。ｑ２は、ユーザの膝関節に相当し、回転節１５の回転軸とみなしてもよい。ｑ３はユーザの腰関節に相当し、回転節１７の回転軸とみなしてもよい。
【0084】
以下の説明で「ｑ２の角度」というときは、第２リンクＬ２上でｑ２とｑ３を結ぶ線分が、水平ラインに対して成す角度をいい、第１実施形態の膝関節角度θｋに対応する。「ｑ３の角度」というときは、ｑ２とｑ３を結ぶ線分に対する垂直線と、第３リンクＬ３によって保持されるユーザの体幹中心線の成す角度をいう。
【0085】
図２１の（Ａ）の座位の場合、支援機構１１０の第２リンクＬ２は、水平ラインまたは移動面とほぼ水平になっており、第３リンクＬ３は、水平ラインからほぼ垂直に立ち上がっている。座っているユーザの体幹中心線または胴体がほぼ垂直だと仮定して、ｑ２の角度θｑ２は０度、ｑ３の角度θｑ３は０度である。
【0086】
図２１の（Ｂ）の立位の場合、支援機構１１０の第２リンクＬ２は、水平ラインまたは移動面からほぼ垂直に立ち上がり、第３リンクＬ３も、水平ラインからほぼ垂直に位置する。立っているユーザの体幹中心線または胴体がほぼ垂直だと仮定して、ｑ２の角度θｑ2は９０度、ｑ３の角度θｑ3は－９０度である。
【0087】
図２２は、実施形態の支援機構１１０の原理を説明する人体モデルである。図２２（Ａ）は、座位から立位、または立位から座位に遷移するときの足首関節ｑ１、膝関節ｑ２、腰関節ｑ３、及び肩関節ｑ４と、これらをつなぐリンクｌ1、ｌ2、ｌ3を示す。図２２（Ｂ）は、各リンクの重心（ｍ１～ｍ３）と各関節に働くモーメント（τ1HBM～τ3HBM）を示す。
【0088】
一般的に、下肢が麻痺しているユーザの起立動作または着座動作の支援には、足首関節ｑ１、膝関節ｑ２、及び腰関節ｑ３の動きに焦点があてられている。これに対し、実施形態では、足首関節ｑ１を固定とし、膝関節ｑ２よりも上側の体の動きを考慮する。
【0089】
図２３は、ユーザの姿勢遷移のサイクルを示す。図２４と図２５は、図２３の姿勢遷移に応じた関節角度と関節まわりの負荷モーメントの変化をそれぞれ示す。図２３で、ユーザの姿勢は、座位（ＳＴ１）、座位から立位への遷移１（ＴＲ１）、立位（ＳＴＤ）、立位から座位への遷移２（ＴＲ２）、座位（ＳＴ２）と遷移する。図２４では、公知技術と異なり、足首関節ｑ１の角度は考慮に入れず、姿勢遷移に対応する膝関節ｑ２と腰関節ｑ３の角度変化を考える。
【0090】
図２３、及び図２４を参照すると、座位（ＳＴ１とＳＴ２）ではユーザの膝関節と腰関節を結ぶ線分と水平ラインが成す角度はほぼ０度であり、ユーザの体幹中心は水平面に対してほぼ垂直である。図２１の座標系によると、ｑ２の角度は０度、ｑ３の角度は０度である。
【0091】
座位から起立しようとするとき（ＴＲ１）、ユーザの上体は前傾するが、初期の相では膝関節ｑ２と腰関節ｑ３を結ぶ線分の角度は変わらない（ｑ２は一定）。一方、ユーザの体幹中心線は、垂直ラインと前傾角度（３０度まで）の間で変化し、ｑ３の角度は変化する。
【0092】
立位（ＳＴＤ）では、ユーザの上体（体幹中心線）はほぼ垂直である。第２リンクＬ２はほぼ垂直に立ち上がり、ｑ２の角度は９０度、ｑ３の角度は－９０度である。
【0093】
立位から着座しようとするとき（ＳＴＤ２）、ユーザの上体はまず後傾し、体幹中心線は後傾角度（後ろへ１５度まで）と垂直ラインの間で変化する。このとき、ｑ３の角度は－９０度からさらにマイナス方向に変化する。一方、膝関節ｑ２と腰関節ｑ３の位置に変化はないので、ｑ２の角度は９０度のままである。続いて（ＴＲ２）、膝を曲げて着座に向かうため、ｑ２の角度は９０度から減少し、ｑ３の角度はプラス方向に変化する。
【0094】
完全に着座すると（ＳＴ２）、姿勢遷移サイクルの初期状態に戻り、ｑ２の角度は０度、ｑ３の角度は０度になる。
【0095】
図２５では、足首関節まわりのモーメントτ1HBMと、膝関節まわりのモーメントτ2HBMはほぼ同等とみなして、膝関節まわりのモーメントτ2HBMに注目する。ユーザが座位から起立しようとするとき、遷移１（ＴＲ１）の前半で、膝関節ｑ２まわりのモーメントτ2HBMは、いったん極大に向かう。その後、膝関節ｑ２が伸びるにつれてモーメントτ2HBMは減少する。一方、腰関節ｑ３まわりのモーメントτ3HBMは、立位に向かうにつれて少しずつゼロへ向かって増加する。立位（ＳＴＤ）では、モーメントτ2HBMとモーメントτ3HBMは、ほぼゼロである。
【0096】
着座しようとするとき、膝を曲げる動作につれて、モーメントτ2HBMは増加する。一方、腰関節まわりのモーメントτ3HBMは、緩やかに負方向へ変化する。
【0097】
実施形態では、起立に必要な全モーメントを低減するために、起立動作時に、胴体の前傾角度を利用し、着座動作時に、胴体の後傾角度を利用する。
【0098】
図２６は、支援機構１１０のアクチュエータ１４による動力生成のモデルである。アクチュエータ１４は、支援機構１１０に姿勢変換を支援するための動力を供給する。図中のτ２Ｍは、ユーザの膝関節への支援モーメントであり、τ３Ｍは、ユーザの腰関節への支援モーメントである。アクチュエータ１４の実効的な力Ｆaは、バネのバネ係数Ｋaと、ダンパーの減衰係数Ｄaによって決まる。
【0099】
アクチュエータ１４が生成するモーメントと、ユーザからの負荷のバランスが変動すると、第２リンクＬ２が回動する。これにともなって、第３リンクＬ３が回動する。
【0100】
アクチュエータ１４は、図２５の起立動作の間（時間ｔ３～ｔ６の遷移１）ユーザが起立するために、アクチュエータ１４が生成する実効的なモーメントτaが、ユーザによる負荷モーメントよりも大きくなるように設計されている。また、着座動作に入るために後傾姿勢をとる間（時間ｔ１３～ｔ２０）も、アクチュエータ１４で生成されるモーメントτaは、ユーザ由来の負荷モーメントよりも小さくなる。この実効的なモーメントτaを「支援モーメント」と呼んでもよい。
【0101】
ユーザの起立動作を誘起するために、アクチュエータ１４はユーザから支援機構１１０にかかる負荷モーメントτloadを超える支援モーメントを、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２の連結部に生じさせる（τa＞τload）。
【0102】
一方、起立するための前傾姿勢に入る前（時間ｔ０）と、着座動作中（ｔ１５～ｔ２０）は、アクチュエータ１４による支援モーメントτaが、ユーザから支援機構１１０にかかる負荷モーメントτloadよりも小さくなるように設計されている（τload＞τa）。これにより、ユーザは自分自身の意思で、起立動作と着座動作に入ることができる。
【0103】
図２７は、姿勢変換動作中の膝関節におけるモーメントの大小関係を示す。横軸は、ｑ３の角度θｑ3であり、縦軸は、膝関節にかかるモーメント（Ｎｍ）である。上述のように、θｑ3は、膝関節ｑ２と腰関節ｑ３を結ぶ線分への垂直線とユーザの体幹中心線とが成す角度である。実線はユーザ由来のモーメントτloadを表わし、破線はアクチュエータ１４による実効的な支援モーメントτaを表わす。
【0104】
１サイクルで、座位（ＳＴ１）から立位（ＳＴＤ）に遷移する全区間（ＴＲ１）において、アクチュエータ１４による支援モーメント（τa）は、ユーザ由来の負荷モーメントτloadよりも大きく、膝関節ｑ２の角度に応じて変化している。ユーザが起立のための前傾姿勢をとる過程で、角度θｑ3は３０度から０度に変化し、膝を伸ばして立ち上がる過程で、θｑ3は０度からマイナス方向に変化する。
【0105】
ユーザが完全に起立すると（ＳＴＤ）、角度θｑ3は－９０度になる。起立状態から着座動作に入るためにユーザが後傾する過程で、角度θｑ3は－９０度から－１０５度に向かって変化する。後傾の角度が鉛直から後方へ１５度傾くまでは、支援モーメント（τa）は、ユーザ由来の負荷モーメントτloadよりも大きい。
【0106】
ユーザの上体が後方へ１５度傾斜して、角度θｑ3が－１０５度に達すると、ユーザ由来の負荷モーメント（τload）が、アクチュエータ１４による支援モーメント（τa）を上回って、立位から座位（ＳＴ２）へ遷移する間、全区間でτload＞τaの関係が保たれ、支援モーメントτaはユーザの膝関節ｑ２の角度に応じて変化する。
【0107】
これにより、起立動作と着座動作で、ユーザは自身の意思で上体を動かし、膝関節に作用する負荷モーメントと、支援機構１１０による支援モーメントとの平衡状態を制御して、姿勢変換を行うことができる。ユーザは姿勢変換動作中に、任意の姿勢で動作の停止と再開が可能である。
【0108】
下肢を随意に制御できないユーザ、あるいは体幹下部に障害があるユーザであっても、ユーザ自らが上体を動かして座位と立位の間で姿勢を変えることができる。この支援機構１１０は、電源供給や制御装置が不要であり、ユーザの上体の動きに基づいて姿勢変換を支援するので、脳卒中、脳性麻痺等により下肢運動機能に制限のあるユーザのリハビリテーション訓練での起立動作、着座動作の支援にも好適である。
【0109】
設計例では、ユーザは座位において鉛直から前方へ３０度の自由度をもち、立位において鉛直から後方へ１５度の自由度を持つが、この例に限定されない。図２７のモーメント特性で、身長１８０ｃｍ、体重８０ｋｇのユーザに対する支援が可能であるが、ユーザの身長、体重、下肢の状態等に応じて、アクチュエータ１４によって生成されるモーメント特性を最適化することができる。その場合、第１実施形態で用いた図１７の構成を用いてもよい。
【0110】
図２８は、アクチュエータ１４が発生させるモーメントτaを説明する図である。各棒グラフはモーメントτaを捉える種別ごとに表示され、縦軸は、ｑ２まわりのモーメントの大きさである。横軸の左端の「τ2HBM」は、健常者が立ち上がる、または座るときに膝関節に必要なモーメントである。横軸中央の「τe」は、外骨格質量や摩擦影響を考慮し、これらの要因Ｅ１を相殺したのちに、τ2HBM相当のモーメントが得られるようにアクチュエータ１４が膝関節まわりに発生させるべきモーメントである。
【0111】
横軸の右端の「Ｍload」は、ユーザから支援機構１１０にかかる負荷を考慮して、アクチュエータ１４が発生すべきトータルのモーメントである。ユーザが第３リンクＬ３に寄りかかることで腰関節ｑ３に発生するモーメントは、ｑ２のモーメントに影響を与える。後述する力伝達システムによって、ｑ２とｑ３の間で力の伝達が行われるからである。そこで、第３リンクＬ３との間で生じるモーメント影響τ2Tをさらに加味して、システム全体で必要とされるモーメント（Ｍload）を発生する。
【0112】
ここで、図２８中のτ2HBM、τe、Ｍloadを表す棒グラフの大きさは、実施例における実際の大きさの比を表すものではない。またＥ１およびτ2Tは、動作の状況によって負値をとってもよく、τe＞Ｍloadのような大小関係となってもよい。
【0113】
Ｍloadは、図２７の支援モーメントτaに相当する。支援モーメントτaと同様に、膝関節ｑ２の角度に対して、τ2Tが単調増加または単調減少（線形化）するように、支援機構１１０は設計される。τ2Tは、
（ａ）ｑ２（膝関節）の角度が０度から９０度の間で変化する間に、ｑ３（腰関節）がどのような姿勢変化または角度変化するか、及び
（ｂ）ユーザが第３リンクＬ３にもたれかかることによって発生するｑ３まわりのモーメントτ3HBMをどのようにｑ２に伝えるか、
という２つの要素に影響を受ける。
（ａ）ｑ２（膝関節）の角度が０度から９０度の間で変化する間に、ｑ３（腰関節）がどのような姿勢変化または角度変化するか、及び
（ｂ）ユーザが第３リンクＬ３にもたれかかることによって発生するｑ３まわりのモーメントτ3HBMをどのようにｑ２に伝えるか、
という２つの要素に影響を受ける。
【0114】
要素（ａ）は、図２３～図２４、図２６、図２７を参照して説明したとおりである。アクチュエータ１４が生成する支援モーメントτaは、ユーザの膝関節への支援モーメント（これをτ2Mとする）と、腰関節への支援モーメント（これをτ3Mとする）と、装置自重等よる損失等の要因Ｅ１とに分配される。腰関節への支援モーメントτ3Mは、分配されたモーメントに対して第２リンクＬ２と第３リンクＬ３の間の力伝達機構の倍率が掛かって伝達される。アクチュエータ１４に作用する負荷モーメントτloadは、膝関節負荷モーメントτ2HBMと、腰関節由来の負荷モーメント（これをτ２Tと呼ぶ）と、装置自重による損失等の要因Ｅ１の合計である。腰関節負荷モーメントτ3HBMは、第２リンクＬ２と第３リンクＬ３との間の力伝達機構の倍率を介して、τ2Tとしてアクチュエータ１４に作用する。以下では、力の伝達について説明する。
【0115】
＜力伝達システム＞
図２９は、実施形態の支援機構１１０Ａの力伝達システム２０Ａの構成例を示す。この例では、複数のプーリＰとワイヤＷ１、及びＷ２を用いて力伝達システム２０Ａを構成する。姿勢変換のための動力は、ガススプリング等のアクチュエータ１４によって、第２リンクＬ２に供給される。姿勢遷移中に、アクチュエータ１４により膝関節ｑ２まわりに生じるモーメントは、ワイヤ伝達により第３リンクＬ３に伝達され、膝関節と胴体の動作が同期する。
図２９は、実施形態の支援機構１１０Ａの力伝達システム２０Ａの構成例を示す。この例では、複数のプーリＰとワイヤＷ１、及びＷ２を用いて力伝達システム２０Ａを構成する。姿勢変換のための動力は、ガススプリング等のアクチュエータ１４によって、第２リンクＬ２に供給される。姿勢遷移中に、アクチュエータ１４により膝関節ｑ２まわりに生じるモーメントは、ワイヤ伝達により第３リンクＬ３に伝達され、膝関節と胴体の動作が同期する。
【0116】
図２０のようにＹ字型の第２リンクＬ２を用いる場合は、第２リンクＬ２のうち、右大腿骨に対応する部分に２本のワイヤＷ１、Ｗ２が配置され、左大腿骨に対応する部分に別の２本のワイヤＷ１、Ｗ２が配置され、合計４本のワイヤが用いられる。２組のワイヤは、Ｙ字の対応する分岐部に左右対称に配置されている。
【0117】
一組のワイヤＷ１、Ｗ２に着目して説明すると、２本のワイヤのうちの一本（たとえばＷ１）は、第３リンクＬ３を時計回りに回転させ、他の一本（たとえばＷ２）は、第３リンクＬ３を反時計回りに回転させる。
【0118】
図２９（Ａ）の起立動作時に、第２リンクＬ２は反時計回りに回転して伸展する。ここで「伸展」とは、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２が直線または直線に近い姿勢となるための姿勢変化をいう。ワイヤＷ１の固定点ＸｉとプーリＰ13の間の距離、及びプーリＰ10とプーリＰ12の間の距離は、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２の角度に依存する。第２リンクＬ２が伸展すると、ワイヤ固定点ＸｉとプーリＰ13の間のワイヤ距離は短くなり、プーリＰ10とプーリＰ12の間のワイヤ距離は長くなる。第２リンクＬ２内でワイヤＷ１が変位する結果、第３リンクＬ３（及び腰関節ｑ３に相当する回転軸）が時計回りに動く。
【0119】
ここで、Ｘｉ－Ｐ13間のワイヤ経路と、Ｐ10－Ｐ12間のワイヤ経路は、第３リンクＬ３を、第２リンクＬ２の長手軸の法線に対して前方へ３０度（ｑ３＝３０度）、後方へ９０度（ｑ３＝－９０度）の範囲で動かすように設定されている。
【0120】
図２９（Ｂ）の着座動作時に、第２リンクＬ２は、時計回りに回転して屈曲する。ここで「屈曲」とは、伸展と逆方向の姿勢変化をいう。ワイヤＷ２のワイヤ固定点ＸｂとプーリＰｂの間の距離は、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２の角度に依存する。第２リンクＬ２の屈曲によって、ワイヤ固定点ＸｂとプーリＰｂの間の距離は長くなる。第２リンクＬ２内でワイヤＷ２が変位する結果、第３リンクＬ３（及び腰関節ｑ３に相当する回転軸）が反時計回りに動く。
【0121】
Ｘｂ－Ｐｂ間のワイヤ経路は、膝関節ｑ２の角度が９０度（立位姿勢）から０度（座位姿勢）に遷移するのに伴って、腰関節ｑ３の後方リミッタ－１０５度（鉛直から後方へ１５度、ｑ３＝１０５度かつｑ２＝９０度）から０度（座位姿勢による鉛直、ｑ３＝０度、かつｑ２＝０度）までの間、ユーザの胴体を完全に支持しながら連続的に変化する。
【0122】
ｑ３を駆動するためにワイヤＷ１、Ｗ２を保持するｑ３軸上のプーリ円周上の溝は、ワイヤごとに異なる半径が設定されていてもよい。この場合、起立動作と着座動作で非対称な姿勢支援が可能になる。ｑ３まわりに発生するモーメントτ3HBMが同じであっても、ワイヤＷ１、Ｗ２の配索経路によって、膝関節ｑ２に影響するτ2T（図２８参照）の大きさが異なる。そのため、ｑ３に相当する位置に設けられるプーリの径は最適に設計されている。
【0123】
力伝達システム２０Ａにより、第３リンクＬ３にかかる使用者由来の力によるｑ２への影響（τ2T）を線形化するとともに（腰関節ｑ３の角度変化に対して負荷変動が単調増減する）、アクチュエータ１４にかかる負荷を最小化する。力伝達システム２０Ａを用いることで、単一のアクチュエータに作用する負荷モーメントを線形化し、かつ、ユーザの膝関節と腰関節の動きを同期させることができる。
【0124】
【0125】
図３０において、力伝達システム２０Ａは、支援機構１１０の第１リンクＬ１、第２リンクＬ２の内部を通って、第３リンクＬ３に結合されている。ユーザが座位から起立する場合、第３リンクＬ３は、ワイヤＷ１のＸｉ－Ｐ１３間の経路とＰ０－Ｐ１２間の経路を通じて、膝関節を駆動するアクチュエータ１４の作用を受ける。
【0126】
図３１において、立位から座位へ遷移する場合、第３リンクＬ３は、ワイヤＷ２のＸｂ－Ｐｂ間の経路を通じて、アクチュエータ１４の作用を受ける。これにより、姿勢遷移時に、膝関節と胴体の動作が同期される。
【0127】
図３２は、実施形態の力伝達システム２０Ｂを用いた支援機構１１０Ｂの構成例を示す。この例では、複数の伝達ロッド２１、２２、２３を用いて力伝達システム２０Ｂを構成する。姿勢変換のための支援力は、ガススプリング等のアクチュエータ１４によって、第２リンクＬ２に供給される。姿勢遷移中に、アクチュエータ１４により膝関節ｑ２まわりに作用する力は、伝達ロッド２１，２２、２３により、第２リンクＬ２から第３リンクＬ３に伝達され、膝関節と胴体の動作が同期する。
【0128】
伝達ロッド２１の一方の端部は、第１リンクＬ１上に取り付けられている。伝達ロッド２２は、第２リンクＬ２の長軸方向と平行にスライドするように拘束されており、伝達ロッド２２は、伝達ロッド２１を介して第１リンクＬ１に接続されている。伝達ロッド２３の一端は、第３リンクＬ３に取り付けられており、伝達ロッド２２は、伝達ロッド２３を介して、第３リンクＬ３に接続されている。伝達ロッド２１、２２、及び２３を用いた力伝達システム２０Ｂによって、膝関節に相当するｑ２の角度変化に応じて第３リンクＬ３が駆動される。
【0129】
図２０のようにＹ字型の第２リンクＬ２を用いる場合は、力伝達システム２０Ｂを構成する伝達ロッド２１～２３の少なくとも一部を分岐させて、右大腿に対応する部分と左大腿に対応する部分にそれぞれ伝達リンクを設ける。
【0130】
図３３Ａでは、伝達ロッド２１と伝達ロッド２２を共通に連結し、伝達ロッド２３－１と伝達ロッド２３－２で、第２リンクＬ２の分岐部分に対応させる。図３３Ｂでは、伝達ロッド２１を共通に用いて、伝達ロッド２２－１及び２３－１と、伝達ロッド２２－２及び２３－２で、第２リンクＬ２の分岐部分に対応させる。
【0131】
各伝達ロッドの長さと、支点及び力点の位置は、第３リンクＬ３に付加されるユーザ由来の負荷を線形化して、アクチュエータ１４が担う負荷モーメントを単調増減させ、かつアクチュエータ１４にかかる負荷を最小化するように設定されている。
【0132】
力伝達システムの構成は、図２９のワイヤ－プーリ構成、及び図３２の伝達ロッド構成に限定されない。たとえば、傘歯車を用いてモーメントを伝達してもよい。この場合、傘歯車のギア比を適切に選択することで、第３リンクＬ３にかかる使用者由来の力によるｑ２への影響（または図２８のτ2T）を線形化するように、腰関節ｑ３まわりのモーメントτ3HBMと、ｑ３からｑ２へ伝わるモーメントの関係を調整することができる。
【0133】
＜移動装置の制御＞
図３４は、第３リンクＬ３に配置される圧力センサ３１の配置例を示す。第３リンクＬ３のたとえば内側（ユーザとの接触側）に、圧力センサ３１1～３１nを配置して、第３リンクＬ３を操縦インターフェースとして用いる。
図３４は、第３リンクＬ３に配置される圧力センサ３１の配置例を示す。第３リンクＬ３のたとえば内側（ユーザとの接触側）に、圧力センサ３１1～３１nを配置して、第３リンクＬ３を操縦インターフェースとして用いる。
【0134】
第３リンクＬ３の主要な役割は、姿勢変換時、及び立位で、ユーザの上体を安定して支えることである。そのため、第３リンクＬ３は、ユーザの上体、特に腹部まわりと接触しやすい形状となっている。第３リンクＬ３とユーザの上体との接触を利用して、移動装置１０１の進行方向と速さを制御する。
【0135】
立位での移動時に、図２０に示すように、ユーザの下肢と胴体は、支援機構１１０の第１リンクＬ１、第２リンクＬ２、及び第３リンクＬ３によって支えられ、ユーザは体重移動により、ハンズフリーで移動装置１０１を操縦することができる。
【0136】
図３５に示すように、圧力センサ３１1～３１nで得られる圧力分布に基づいて、進路の方向と速度を制御できる。たとえば、移動装置１のベース１３にコントローラまたはプロセッサを配置して、圧力センサ３１1～３１nの出力を収集・処理して、圧力分布を得る。圧力分布に基づいて進路方向と速度を計算し、前輪２の回転数を制御することができる。
【0137】
図３５の（Ａ）で、ユーザの腹部領域が第３リンクＬ３に対して片寄りなく位置するときは、複数の圧力センサ３１で得られる圧力分布は、極大値を持つ山型になる。この場合、コントローラまたはプロセッサは、ユーザの推定意思を「前進」と判断して、前輪２を等しい速さで回転させる。また、圧力分布のピーク高さによって、ユーザが意図する移動速度を推定することができる。
【0138】
図３５の（Ｂ）で、ユーザの胴体が左へねじれている場合は、圧力分布が全体に右側にシフトする。この場合、コントローラまたはプロセッサは、ユーザの推定意思を「左へターン」と判断して、左の前輪２に対して右の前輪２を速く回転させることでベース１３の進行方向を左に向ける。また、圧力分布のピーク偏り（シフト量）によって、ユーザが意図するターンの大きさを推定することができる。
【0139】
図３５の（Ｃ）で、ユーザの胴体が右へねじれている場合は、圧力分布が全体に左側にシフトする。この場合、コントローラまたはプロセッサは、ユーザの推定意思を「右へターン」と判断して、右の前輪２に対して左の前輪２を速く回転させることでベース１３の進行方向を右に向ける。また、圧力分布のピーク偏り（シフト）によって、ユーザが意図するターンの大きさを推定することができる。
【0140】
図３５の（Ｄ）で、ユーザの横腹付近のごく一部だけが第３リンクＬ３に接している場合、すなわち圧力分布が、ごく狭い領域に限られている場合、コントローラまたはプロセッサは、ユーザの推定意思を「後退」と判断する。このような圧力分布のときは、ユーザは一般に、後方を振り返りながら後退しようとしている。この場合、前輪２の回転方向が切り替えられる。
【0141】
用いられる圧力センサ３１の数、間隔等は、ユーザの体型に応じて適宜決定される。ユーザの立位姿勢における胴体のねじれを活用した直感的な操作が可能になる。
【0142】
第２リンクＬ２と第３リンクＬ３に角度センサが設けられて、角度センサの出力がコントローラまたはプロセッサに入力されてもよい。第２リンクＬ２と第３リンクＬ３が立位位置にない場合に、制動機構が働くようにしてもよい。
【0143】
第２実施形態の力伝達システム２０Ａ、及び２０Ｂは、単一のアクチュエータ１４で単一の関節（膝関節）の動作を支援する際に、ユーザの膝関節姿勢に対してユーザの上体からアクチュエータにかかる負荷τ2Tを線形化する。
【0144】
アクチュエータ１４は、起立動作の全範囲にわたって、ユーザから支援機構１１０にかかる負荷を上回る支援モーメントτaを生成し、かつ、膝関節ｑ２の伸展に応じて支援モーメントτaを変化させる。
【0145】
アクチュエータ１４は、着座動作の全範囲にわたって、ユーザから支援機構１１０にかかる負荷よりも小さい支援モーメントτaを生成し、かつ、膝関節ｑ２の屈曲に応じて、支援モーメントτaを変化させる。
【0146】
ｑ２、ｑ３間の力伝達システムを設けることで、第２リンクＬ２と第３リンクＬ３を同期することでユーザの膝関節と腰関節を自然に連動させることができる。
【0147】
起立動作では、ユーザの上体姿勢を所定の前傾角度θ１まで許容し、着座動作では、ユーザの状態を、所定の後傾角度θ２まで許容する。起立のために許容される前傾角度の大きさと、着座のために許容される後傾角度の大きさは異なることもある。
【0148】
実施形態の支援機構１１０（支援機構１１０Ａ、及び１１０Ｂを含む）は、座位から立位、立位から座位等の姿勢遷移の間、ユーザの上体を安定して支えることができる。
【0149】
支援機構１１０を用いることで、座位姿勢で使用する既存の車椅子の代替として立位式の移動装置１０１が提供される。移動装置１０１はハンズフリーの操作が可能である。実施形態の支援機構１１０は、脳卒中、下肢疾患などからの回復過程にある患者のリハビリテーション機器としても好適である。
【0150】
＜第３実施形態＞
第３実施形態では、単一の受動的なアクチュエータを用いて姿勢変換を支援するとともに、ユーザの排泄を支援する。第１実施形態、及び第２実施形態と同様に、座位と立位の間のユーザの姿勢変換を支援するために、ユーザの重心移動に伴う膝関節への負荷モーメントの変化を利用して、受動アクチュエータで適切な支援モーメントを発生させる。従来構成と異なり、単一の受動アクチュエータで、ユーザの膝関節の動きに相当する支援モーメントだけを生成するので、構成が簡素化され、機器の重量が軽減され搬送性が高まる。また、姿勢変換時のユーザの負担が軽減される。
第３実施形態では、単一の受動的なアクチュエータを用いて姿勢変換を支援するとともに、ユーザの排泄を支援する。第１実施形態、及び第２実施形態と同様に、座位と立位の間のユーザの姿勢変換を支援するために、ユーザの重心移動に伴う膝関節への負荷モーメントの変化を利用して、受動アクチュエータで適切な支援モーメントを発生させる。従来構成と異なり、単一の受動アクチュエータで、ユーザの膝関節の動きに相当する支援モーメントだけを生成するので、構成が簡素化され、機器の重量が軽減され搬送性が高まる。また、姿勢変換時のユーザの負担が軽減される。
【0151】
排泄を支援する支援機構は、ユーザの下肢を主として支持する構造体を有する。構造体は複数のリンクを含み、その一部は、ユーザの膝関節の伸屈に対応して、受動アクチュエータによって駆動される。構造体は、ユーザの大腿部の後ろ側を支持し、かつ、臀部まわりに十分な空間が形成されるように設計されている。ユーザの臀部の周辺、さらには腰骨の周辺の拘束を最大限に取り除いた設計により、第３実施形態の支援機構を使用するユーザは、立位のまま介護者の援助なしに自身でズボンを着脱することができる。
【0152】
実施形態では、成人のみならず、小児、思春期のユーザも支援の対象とする。下肢に運動機能障害を患う小児の身体発達を促す観点からも、座位と立位の間の姿勢変換を伴う排泄支援は重要である。動力の供給を要しない受動アクチュエータを用いることで、一定範囲でユーザの身長や体重の変化に対応可能である。
【0153】
図３６～図３８は、第３実施形態の支援機構の基本構想を説明する図である。図３６～図３８で、支援機構２１０は、前輪２、及び後輪３と組み合わせて移動装置２０１として構成されているが、支援機構２１０を単独で用いてもよい。支援機構２１０を、図３６～図３８の構成の移動装置２０１として構成する場合、ユーザは立位で移動することが想定されている。ただし、支援機構２１０を標準的な車椅子と組み合わせることも可能である。
【0154】
図３６のように、男性ユーザの場合、移動中と同じ立位の姿勢で排尿することができる。前輪２として、補助輪またはキャスターホイールが用いられる場合、支援機構２１０を前向きのまま容易に男性用便器に近づけることができる。
【0155】
図３７のように、便座を使用する場合、支援機構２１０を使用するユーザは、立位で後ろ向きのまま便器の近傍に移動する。後輪３はコントローラ、センサ出力、マイクロプロセッサ等の制御に基づいて、回転方向や向きが制御されてもよい。後ろ向きで便座に近づいたユーザは、支援機構２１０の姿勢変換機能により、支援機構２１０に搭乗したまま、便座に座ることができる。
【0156】
一般的な車椅子と異なり、ユーザは車いすの座面と便座の間を移動する必要がない。また、支援機構２１０のリンク構造により、ユーザは排泄の前後で、自分自身でズボンの上げ下ろしをすることができる。この詳細については、後述する。
【0157】
図３８のように、ユーザは支援機構２１０の姿勢変換機能を用いて立位から座位に遷移するときには、後傾姿勢になり、座位から立位に遷移するときは、前傾姿勢になる。このときの重心の変化により、受動アクチュエータから適切な支援モーメントを受けることができる。
【0158】
図３９と図４０は、第３実施形態の姿勢変換機能付きの支援機構２１０の斜視図である。図３９は立位の状態、図４０は座位の状態を示す。支援機構２１０は、固定状態の第１リンクＬ１と、第１リンクＬ１に対して回転可能に連結される第２リンクＬ２と、第２リンクＬ２に連結される第３リンクＬ３と、第３リンクＬ３に接続される胴ベルト２６と、第２リンクＬ２を第１リンクＬ１に対して回転させるアクチュエータ１４とを有する。
【0159】
第１リンクＬ１は、回転、揺動、開閉などの姿勢変化のない静止リンクである。第２リンクＬ２は、回転節１５によって第１リンクＬ１に対して所定の角度範囲で回動可能である。回転節１５は、たとえば回転軸として形成されており、ユーザの膝関節の動きに対応して回転する。
【0160】
第２リンクＬ２は、回転リンクＬ２－ｃと、大腿サポートＬ２－ｄを含む。回転リンクＬ２－ｃは、第１リンクＬ１に連結されている。また、回転リンクＬ２－ｃには、アクチュエータ１４の一端側が接続されており、アクチュエータ１４から姿勢変換のための支援モーメントを受ける。アクチュエータ１４には、モーメントの調整と衝撃吸収のためのダンパー２５が設けられていてもよい。ダンパー２５を設けることで、滑らかな駆動が可能になる。
【0161】
大腿サポートＬ２－ｄは、回転リンクＬ２－ｃに接続されて、ユーザが立位と座位の間で姿勢変換するときに、ユーザの大腿部の後ろ側を支持する。この例では、大腿サポートＬ２－ｄは、回転リンクＬ２－ｃの両端から延びる一対のウィング１２１、及び１２２として形成されている。ウィング１２１、及び１２２は、大腿部の形状に即して、膝の裏側から臀部の直下に向かって徐々に幅が広くなるように形成されており、立位と座位の間を遷移するときに、ユーザの大腿部の裏側を安定して支える。
【0162】
一対のウィング１２１及び１２２は、これらの間に十分な空間１１が形成されるように配置されている。空間１１が設けられることで、臀部とその周辺は、拘束がほとんどない状態で解放される。
【0163】
臀部まわりの拘束なしに、姿勢変換中のユーザを安定して支えるために、第３リンクＬ３に胴ベルト２６が接続されている。第３リンクＬ３は、大腿サポートＬ２－ｄに連結されて大腿の後ろ側から側方に延びる基部Ｌ３－ａと、基部Ｌ３－ａから胴体の側方に沿って上方に延びる端部Ｌ３－ｂを有する。胴ベルト２６は、端部Ｌ３－ｂに接続され、ユーザの腰骨よりも高い位置、仕様によっては、臍よりも高い位置で、ユーザの胴体を固定する。この構成により、腰回りの拘束を最小限にすることができる。
【0164】
第３リンクＬ３と胴ベルト２６により、ユーザは姿勢を崩さずに安定して姿勢変換することができる。胴ベルト２６を腰骨よりも高い位置に設けることで、排泄時のズボンの着脱または下着の上げ下ろしが容易になる。ユーザは、上体が胴ベルト２６でしっかりと支えられた状態で、ズボンを下げて便座に腰かけ、その後立ち上がってズボンを上げるという一連の行為を円滑に行うことができる。
【0165】
第１リンクＬ１に、ユーザの前膝を支える膝関節サポート部材２８が設けられていてもよい。また、第１リンクＬ１の両側に、フットレスト２７が設けられていてもよい。ユーザが下肢麻痺者など自力で立位姿勢をとることが困難な場合は、膝関節サポート部材２８は必要であるが、高齢者など足腰が幾分弱った程度のユーザには、膝関節サポート部材２８を省略してもよい。フットレスト２７を設けることで、支援機構２１０の使用時の立ち位置の把握が容易になり、足元を安定させることができる。フットレスト２７も、ユーザの障害の程度によっては省略してもよい。
【0166】
図４０の座位の状態では、回転リンクＬ２－ｃと大腿サポートＬ２－ｄを有する第２リンクＬ２の全体が、支援機構２１０が置かれている基準面に対して垂直に近い方向から、水平な角度まで倒れている。
【0167】
第２リンクＬ２は、アクチュエータ１４の受動的な動作によって回転する。ユーザが立位と座位の間を遷移するために上体の姿勢を変えると、重心位置が変化して、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２を連結する回転節１５にかかる負荷が変動する。アクチュエータ１４は、ユーザからの負荷の変動を契機として、負荷の変動に応じた支援モーメントを生成する。アクチュエータ１４は、バネ等の力を利用して、動力の供給なしに支援モーメントを生成する。
【0168】
図３９と図４０では、アクチュエータ１４として一組のガススプリングが用いられているが、液圧を利用した粘弾性ダンパー、コイルスプリング、ゴムバネなど、適切な弾性部材を用いてもよい。一組のガススプリングを用いる場合でも、第２リンクＬ２を第１リンクＬ１に対して回動させるアクチュエータという意味で、単一のアクチュエータである。この点は、足首関節に相当する第１部分と、膝関節に相当する第２部分を、個別のアクチュエータで駆動する公知技術と大きく異なる。
【0169】
図３９と図４０では、第１リンクＬ１、第２リンクＬ２、第３リンクＬ３の間の連結関係をわかりやすくするために第２リンクＬ２をグレイの模様で示しているが、第１リンクＬ１、第２リンクＬ２、第３リンクＬ３のすべてを同じ材料で形成してもよい。たとえば、機械的強度と耐久性の高い樹脂材料で射出成型されたプラスチックで形成されていてもよい。
【0170】
図４１は支援機構２１０の正面図、図４２は支援機構２１０の側面図である。図４１、図４２ともに、図３９に対応する立位の状態を示す。ユーザが支援機構２１０を使用する場合、第１リンクＬ１の両側にまたがる。ユーザの下肢（脚部）は、膝関節サポート部材２８と大腿サポートＬ２－ｄの間に位置する。
【0171】
図４１において、大腿サポートＬ２－ｄを構成するウィング１２１及び１２２は、ユーザの姿勢変換中に大腿の裏側を支えることができ、かつ臀部のまわりに十分な空間１１が設けられるかぎり、どのような形状であってもよい。すなわち、ユーザの大腿の裏側を保持し、排泄を可能にする任意の形状をとることができる。たとえば、平面形状がＵ字型、扇型、Ｙ字型、ロート型など、適切な形状をとることができる。ウィング１２１及び１２２のユーザの大腿部と接するサポート面に、ユーザの大腿の形に添った湾曲面が形成されていてもよい。
【0172】
第３リンクＬ３の基部Ｌ３－ａは、大腿サポートＬ２－ｄのサポート面の妨げにならないように、大腿サポートＬ２－ｄの外側の端部に連結されている。第３リンクＬ３の端部Ｌ３－ｂは、基部Ｌ３－ａに対して回転可能に連結されている。端部Ｌ３－ｂを基部Ｌ３－ａに対して回転可能とすることで、ユーザが姿勢変換するときに、胴ベルト２６に固定されたユーザの上体の傾き角度が変わっても、圧迫感や不快感を与えることなく、ユーザの上体を保持することができる。
【0173】
胴ベルト２６は、たとえば、前側で留めるワンタッチのはめ込み式のベルトであるが、この例に限定されない。ユーザの上体を確実に保持できるかぎり、留め金式、フック式、マジックテープ（登録商標）など、適切な留め具を用いてもよい。胴ベルト２６は、第３リンクＬ３の端部Ｌ３－ｂに対して取り外し可能に接続されていてもよい。
【0174】
アクチュエータ１４は、必ずしも複数本のガススプリングを用いる必要はない。一本のガススプリングで支援機構２１０に必要とされる支援モーメントを生成できる場合は、一本のガススプリングでアクチュエータ１４を構成してもよい。
【0175】
図４２に明確に示されるように、第２リンクＬ２の角度は、立位の上体で、水平面に対して８０度±５度の角度で立ち上がっている。膝関節の８０度の角度は、通常の立位姿勢に限りなく近く、かつ、特に力学的な観点から立位から座位への姿勢遷移を容易に実施できる角度である。発明者らは、８０度±５度の角度で試作機を設計・作製し、利用者が自然な姿勢で立ち、立位から座位へ容易に姿勢遷移できることを確認している。第２リンクＬ２は、アクチュエータ１４によって、０度から８０度の角度範囲で回転駆動される。
【0176】
図４３は、支援機構２１０の立位での使用状態を示す。図４４は、支援機構２１０の座位での使用状態を示す。図４３で、ユーザは、第１リンクＬ１を両足で挟んで起立している。ユーザの上体は第３リンクＬ３と、これに接続される胴ベルト２６によって固定されている。ユーザの両腕は自由であり、介護者の援助なしに、自身でズボンを上げ下ろしすることができる。上述したように、胴ベルト２６の位置は、腰骨または臍よりも高い位置にある。ユーザの腰回りの拘束は最小限であり、ユーザ自身によるズボンの上げ下げが容易である。
【0177】
図４４で、ユーザは、支援機構２１０にまたがったまま着座できる。座位に至るまでは、アクチュエータ１４で生成される支援モーメントによって水平方向へ回転する大腿サポートＬ２－ｄで支えられている。ユーザの臀部まわりの拘束は最小限であり、便座に座った後は、そのまま排泄することができる。
【0178】
支援機構２１０は、アクチュエータ１４（図４１等を参照）による支援モーメントとユーザからの負荷モーメントのバランスの変化に応じて動作し、電源供給や外部からの制御を要しない。膝関節に対応する回転節１５の姿勢によって決まる支援モーメントと、それに対抗するユーザからの負荷モーメントの和が、起立する方向を向くか（支援モーメントの方が大きい場合）、着座する方向を向くか（ユーザからの負荷モーメントの方が大きい場合）によって、その方向への支援動作が誘起される。設計段階で、ユーザの身長、体重等から負荷モーメントを予測し、これに基づいて適切な支援モーメントが発生するようにアクチュエータ１４の種類、配置等を計算してもよい。
【0179】
図３６～図３８のように、支援機構２１０を移動体と組み合わせるときは、後輪３を駆動する駆動機構と、移動制御のためのコントローラが設けられてもよい。移動体は、必ずしも後輪駆動である必要はなく、排泄の妨げにならないならば、前輪駆動にして、後輪を補助輪としてもよい。
【0180】
図４５は、支援機構２１０に適用される姿勢変換モデルの模式図である。立位では、ユーザの足首関節は、ユーザが位置する基準面に対して１１０度の角度をなし、膝関節は基準面に対して８０度の角度をなす。ユーザの上体は基準面に対してほぼ垂直である。
【0181】
立位から座位への姿勢変換を開始するときに、ユーザの上体が後方に２０度程度、傾くことがある。第３リンクＬ３の端部Ｌ３－ｂの回転のしやすさを、例えばダンパーを用いて回転方向に応じて調整可能にしておく、あるいは回転できる角度に制限を設けることで、着座動作の開始時にユーザの上体が多少後傾しても、ユーザの上体は胴ベルト２６によって安定して支持される。
【0182】
その後、ユーザが臀部を徐々に落とすときに、膝関節は徐々に折れ曲がり、基準面に対する膝関節の角度は８０度から減少する方向に変化する。座位に向かって姿勢を変換する間、ユーザの膝関節、すなわち、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２を連結する回転節１５にかかる負荷は、徐々に増大する。この間、アクチュエータ１４は、ユーザからの負荷モーメントよりもわずかに小さい支援モーメントを生成し続け、第２リンクＬ２を基準面と水平になる方向に屈曲させる。
【0183】
座位では、膝関節の角度は０度になり、大腿を支持する第２リンクＬ２は基準面とほぼ水平になる。ユーザの足首角度は、立位と同じ１１０度である。
【0184】
座位から立位への姿勢変換を開始するときは、ユーザは、上体を前方に３０度ほど傾ける。このとき、膝関節の角度は０度、足首関節の角度は１１０度である。その後、立位に向けて、臀部を徐々に浮かせるときに、膝関節は徐々に伸展し、基準面に対する膝関節の角度が大きくなる。立位に向かって姿勢を変換する間、ユーザの膝関節、すなわち、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２を連結する回転節１５にかかる負荷は、減少する方向の変化が支配的になる。アクチュエータ１４は、ユーザからの負荷モーメントよりもわずかに大きい支援モーメントを生成し続け、第２リンクＬ２を垂直に近づく方向に伸展させる。
【0185】
ここで、「伸展」とは、支援機構２１０が置かれる基準面に対して、第２リンクＬ２が垂直方向へ立ち上がる姿勢変化をいう。「屈曲」とは、伸展と逆方向の姿勢変化、あるいは基準面に対して水平な方向への姿勢変化をいう。
【0186】
図４６は、膝関節まわりに構造体（第２リンクＬ２）を回転させる受動アクチュエータの原理を説明する図である。第１リンクＬ１と、第２リンクＬ２（より具体的には回転リンクＬ２－ｃ）が模式的に描かれている。実際の支援機構２１０では、図４４に示すように回転リンクＬ２－ｃに大腿サポートＬ２－ｄが連結されてユーザの大腿部の裏側へ延びているが、図４６では大腿サポートＬ２－ｄは省略されている。
【0187】
回転リンクＬ２－ｃは、回転節１５によって第１リンクＬ１に連結されている。アクチュエータ１４の固定端は、第１リンクＬ１上、または支援機構２１０が配置されるベースの適切な箇所に固定される。アクチュエータ１４の他端は、回転リンクＬ２－ｃに固定されている。回転リンクＬ２－ｃは、回転節１５のまわりに回転して、姿勢が変化する。回転リンクＬ２－ｃの姿勢変化により、アクチュエータ１４の他端の位置が変化する。この意味で、アクチュエータ１４の他端を「可動端」と呼んでもよい。
【0188】
回転節１５の回転中心と可動端の間の長さはＬM、回転中心と固定端の長さはＬF、アクチュエータの長さはＬactである。アクチュエータの反力と、回転リンクＬ２－ｃの長手軸がなす角度がφである。
【0189】
アクチュエータ１４は、ユーザの排泄動作の妨げにならない位置に設けられる。アクチュエータ１４の固定端の位置は、固定端の配置可能領域Ａ１の範囲内で適切に設計され、アクチュエータ１４の可動端は、配置可能領域Ａ２の範囲内で固定されている。配置可能領域Ａ１およびＡ２におけるアクチュエータ１４の固定端および可動端の位置、アクチュエータ１４のばね定数などは、ユーザの姿勢変換に必要な支援モーメントが生成されるように決定される。たとえば、膝関節の角度ごとに、図４５の動作遷移を可能にする目標の支援モーメントと、アクチュエータ１４によって実際に生成される支援モーメントとの差分（たとえば目標値に対する誤差の二乗和）が最小となるように計算される。
【0190】
支援機構２１０により、６～７秒程度で、座位から立位への姿勢変換、または立位から座位への姿勢変換を完了することができる。また、臀部及び腰回りの拘束が最小となるように設計されているので、ユーザは立位でズボンを下ろして、そのまま便座に腰かけ、排泄終了後に立ち上がって、ズボンを上げることができる。車椅子等の座面から便座への位置移動が不要なので、排泄動作の負担が大幅に軽減される。
【0191】
【0192】
支援機構２１０では、臀部まわりの拘束を最小限にしつつ、ユーザの姿勢変換動作を支援するために、一対のウィング１２１及び１２２で形成される大腿サポートＬ２－ｄを用いた。変形例では、第２リンクＬ２に懸架される大腿ベルト１３１で、姿勢変換するユーザの大腿部の後ろ側を支える。
【0193】
支援機構２２０は、第１リンクＬ１と、第１リンクＬ１に対して回転可能に連結される第２リンクＬ２と、第２リンクＬ２に懸架される大腿ベルト１３１と、第２リンクＬ２に連結される第３リンクＬ３と、第３リンクＬ３に接続される胴ベルト２６と、第２リンクＬ２を第１リンクＬ１に対して回転させるアクチュエータ１４と、を有する。
【0194】
第１リンクＬ１は、回転、揺動、開閉などの姿勢変化のない静止フレームである。第２リンクＬ２は、回転節１５によって第１リンクＬ１に対して所定の角度範囲で回動可能である。所定の角度範囲は、第１実施形態と同様に、０度から８０度までの範囲である。
【0195】
第２リンクＬ２は、回転フレーム２２１と、回転フレーム２２１の両側に延びる懸架フレーム２２２及び２２３を有する。回転フレーム２２１と、懸架フレーム２２２及び２２３は別部材として形成される必要はなく、一体的に形成されていてもよい。
【0196】
図４９の背面図に示されるように、大腿ベルト１３１は、懸架フレーム２２３の端部に設けられたピン２２４に懸架されていてもよい。ピン２２４に替えて、懸架フレーム２２３の端部で懸架フレーム２２３から延びる棒状の突起が一体的に形成されていてもよい。
【0197】
大腿ベルト１３１の他方の端部は、たとえば、懸架フレーム２２２の裏側の図示しないフック等に、取り外し可能に掛けられる。ユーザは、２本の大腿ベルト１３１に足を入れた状態で、第１リンクＬ１にまたがる。大腿ベルト１３１を取り外し可能にすることで、ユーザは、第１リンクＬ１にまたがって胴ベルト２６を締めた後に、ピン２２４に懸架された大腿ベルト１３１を大腿の後ろ側から内側に回して、懸架フレーム２２２のフックに掛けることができる。あるいは、大腿ベルト１３１を大腿の後ろ側から内側に回してフックに掛けた後に、第１リンクＬ１にまたがって胴ベルト２６を締めてもよい。大腿ベルト１３１と胴ベルト２６の装着の順序は任意である。
【0198】
胴ベルト２６は、バックル等により取り外し可能に作製されている。胴ベルト２６のバックルを背面側に配置することで、ユーザは支援機構２２０の後ろ側から装置に移動して、容易に胴ベルト２６を装着することができる。
【0199】
ユーザは支援機構２２０の後ろ側から第１リンクＬ１にまたがって、大腿ベルト１３１と胴ベルト２６を含む機器を装着することができる。これは第２実施形態の大きな特徴であり、支援機構２１０と比べて、機器の装着と着脱がより容易になる。たとえば、下肢麻痺者の場合、支援機構２１０を用いる場合、支援機構２１０を座位状態にして、ベッドや椅子から両足を動かして、第２リンクＬ２と第３リンクＬ３を避けながら第１リンクＬ１にまたがることになるが、変形例の構成ではこのような負担が大幅に軽減される。
【0200】
懸架フレーム２２３の端部側に設けられるピン２２４または突起を「第１懸架部」、懸架フレーム２２２に設けられるフックを「第２懸架部」とすると、第１懸架部と第２懸架部の少なくとも一方で、大腿ベルト１３１を取り外し可能にしてもよい。大腿ベルト１３１を取り外し可能、または交換可能とすることで、大腿ベルト１３１の幅、長さ、色合い、素材などを選択可能にしてもよい。大腿ベルト１３１の一端側だけを取り外し可能にする場合は、大腿ベルト１３１に長さ調整部を設けてもよい。
【0201】
大腿ベルト１３１が装着されると、大腿ベルト１３１はユーザの大腿部の後ろ側から、大腿部に沿って内側へと延び、２本の大腿ベルト１３１の間に十分な空間１１が維持される。空間１１により、ユーザの臀部まわりと腰まわりの拘束が最小化され、ズボンの上げ下ろしが容易になる。大腿部に巻きついた大腿ベルト１３１により、立位と着座の間の姿勢変換時に、ユーザの体重移動が支えられる。ユーザは、支援機構２２０を使用したまま便座に腰かけて、排泄することができる。
【0202】
第２リンクＬ２の回転フレーム２２１は、回転節１５によって第１リンクＬ１に対して回転可能に連結されている。回転フレーム２２１にはアクチュエータ１４の一端側が接続されており、アクチュエータ１４から姿勢変換のための支援モーメントを受ける。アクチュエータ１４の機能と動作は、第１実施形態と同じであり、重複する説明を省略する。
【0203】
ユーザが立位から座位に遷移するときは、懸架フレーム２２３は、支援機構２２０が置かれた基準面と水平になる方向に動く。このとき、大腿ベルト１３１は、ユーザの大腿部の後ろ側に巻きついて、ユーザの着座を確実に支持する。大腿ベルト１３１は、布、半合成繊維、合成繊維などで形成される。プラスチック成型された大腿サポートと比較して、フレキシブルで大腿部へのフィット感が良好である。
【0204】
臀部まわりの拘束なしに、姿勢変換中のユーザを安定して支えるために、第１実施形態と同様に、第３リンクＬ３に胴ベルト２６が接続されている。胴ベルト２６は、ユーザの腰骨よりも高い位置、あるいは、臍よりも高い位置で、ユーザの胴体を固定する。
【0205】
第３リンクＬ３と胴ベルト２６により、ユーザは姿勢を崩さずに安定して姿勢変換することができる。胴ベルト２６を腰骨よりも高い位置に設けることで、排泄時の着脱または下着の上げ下ろしが容易になる。ユーザは、上体が胴ベルト２６でしっかりと支えられた状態で、ズボンを下げて便座に腰かけ、その後立ち上がってズボンを上げるという一連の行為を円滑に行うことができる。
【0206】
第３実施形態を通して、第１リンクＬ１、第２リンクＬ２、第３リンクＬ３を含むフレーム構造体は、ユーザがズボンを上げ下ろしする動作と抵触せず、かつ臀部のまわりに十分な空間が確保される。大腿サポートＬ２－ｄまたは大腿ベルト１３１によって、ユーザの臀部まわりと腰回りの拘束を最小限にして、立位と座位の間の姿勢遷移を支持することができる。
【0207】
第３実施形態の支援機構は上述した特定の構成例に限定されない。大腿サポートまたは大腿ベルトは、ユーザの臀部と腰部を解放した状態で立位と座位の間の姿勢変換を支持することのできる任意の形態をとり得る。たとえば、大腿サポートまたは大腿ベルトのうち、ユーザの大腿部と接触するサポート面にシリコーン、エラストマーなどの弾性体の層を設けてもよい。
【0208】
アクチュエータ１４をロック式にしてもよい。この場合、ロックを解除することで、膝関節に相当する回転節１５を動作可能な状態にしてもよい。起立動作は、ユーザが上体を前方へ傾けることにより、着座動作は上体を後方へ傾けることにより誘起され得る。上体の姿勢を調整することで、姿勢遷移の動作を任意に停止または反転させることができる。所望の姿勢に遷移して膝関節の動作が停止した後に、アクチュエータ１４をロックして膝関節を固定状態にしてもよい。ロック操作により、支援機構２１０または２２０を安全に使用することができる。
【0209】
本件出願は、２０１９年８月３０日に出願された日本国特許出願第特願第２０１９－１５９１０９号、２０１９年８月３０日に出願された日本国特許出願第２０１９－１５９１１０号、及び２０１９年９月３０日に出願された日本国特許出願第２０１９－１７８８２７号に基づき、その優先権を主張するものであり、上記３つの日本国特許出願の全内容は本件出願中に含まれる。
【符号の説明】
【0210】
１、１０１、１０１Ａ、２０１ 移動装置
２ 前輪
３ 後輪
４、２７ フットレスト
１０、１０Ａ、１１０、１１０Ａ、２１０、２２０ 支援機構
１３ ベース
１４ アクチュエータ
１４１ 弾性体
１５ 回転節
１６ 支持帯
１７ 回転節
２６ 胴ベルト
２８ 膝関節サポート部材
３１、３１１～３１ｎ 圧力センサ
４０ 支援モーメント調整機構
１３１ 大腿ベルト
２２１ 回転フレーム
２２２、２２３ 懸架フレーム
２２４ ピン
Ａ１ アクチュエータ１４の固定端配置可能領域
Ａ２ アクチュエータ１４の可動端配置可能領域
ＣＭ１ ユーザの大腿重心
ＣＭ２ ユーザの上体重心
Ｌ１ 第１リンク
Ｌ２ 第２リンク
Ｌ２－ａ リンク本体
Ｌ２－ｂ サポートリンク
Ｌ２－ｃ 回転リンク
Ｌ２－ｄ 大腿サポート
Ｌ３ 第３リンク
Ｌ３－ａ 基部
Ｌ３－ｂ 端部
Ｐ１ 膝関節位置
Ｐ２ 股関節位置
ＰＬ１ 膝関節回転中心を通るＲＰに平行な参照面
ＰＬ２ 股関節回転中心を通りＲＰに平行な参照面
ＲＰ 基準面
ＲＰ１ 膝関節と上体重心との相対的な位置関係
ＲＰ２ 足首関節と膝関節との相対的な位置関係
θａ 足首関節角度（ユーザの足首関節と膝関節を結ぶ線分と、基準面ＲＰとが成す角度）
θｋ 膝関節角度（ユーザの膝関節と股関節を結ぶ線分と、基準面ＲＰとが成す角度）
θｈ 股関節角度（ユーザの股関節と肩峰を結ぶ線分と、基準面ＲＰとが成す角度）
τ 膝関節における支援モーメントと負荷モーメントの合モーメント
τａ 支援モーメント
τＡＧ 支援機構により生成される膝関節支援モーメント
τＡＺ 参考例の機構により生成される膝関節支援モーメント
τＨＢＭ ユーザ由来の負荷モーメント
τ２Ｍ ユーザの膝関節への支援モーメント
τ３Ｍ ユーザの腰関節への支援モーメント
２ 前輪
３ 後輪
４、２７ フットレスト
１０、１０Ａ、１１０、１１０Ａ、２１０、２２０ 支援機構
１３ ベース
１４ アクチュエータ
１４１ 弾性体
１５ 回転節
１６ 支持帯
１７ 回転節
２６ 胴ベルト
２８ 膝関節サポート部材
３１、３１１～３１ｎ 圧力センサ
４０ 支援モーメント調整機構
１３１ 大腿ベルト
２２１ 回転フレーム
２２２、２２３ 懸架フレーム
２２４ ピン
Ａ１ アクチュエータ１４の固定端配置可能領域
Ａ２ アクチュエータ１４の可動端配置可能領域
ＣＭ１ ユーザの大腿重心
ＣＭ２ ユーザの上体重心
Ｌ１ 第１リンク
Ｌ２ 第２リンク
Ｌ２－ａ リンク本体
Ｌ２－ｂ サポートリンク
Ｌ２－ｃ 回転リンク
Ｌ２－ｄ 大腿サポート
Ｌ３ 第３リンク
Ｌ３－ａ 基部
Ｌ３－ｂ 端部
Ｐ１ 膝関節位置
Ｐ２ 股関節位置
ＰＬ１ 膝関節回転中心を通るＲＰに平行な参照面
ＰＬ２ 股関節回転中心を通りＲＰに平行な参照面
ＲＰ 基準面
ＲＰ１ 膝関節と上体重心との相対的な位置関係
ＲＰ２ 足首関節と膝関節との相対的な位置関係
θａ 足首関節角度（ユーザの足首関節と膝関節を結ぶ線分と、基準面ＲＰとが成す角度）
θｋ 膝関節角度（ユーザの膝関節と股関節を結ぶ線分と、基準面ＲＰとが成す角度）
θｈ 股関節角度（ユーザの股関節と肩峰を結ぶ線分と、基準面ＲＰとが成す角度）
τ 膝関節における支援モーメントと負荷モーメントの合モーメント
τａ 支援モーメント
τＡＧ 支援機構により生成される膝関節支援モーメント
τＡＺ 参考例の機構により生成される膝関節支援モーメント
τＨＢＭ ユーザ由来の負荷モーメント
τ２Ｍ ユーザの膝関節への支援モーメント
τ３Ｍ ユーザの腰関節への支援モーメント
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33A】
【図33B】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48】
【図49】