CN101460118B - 步行辅助装置 - Google Patents

Abstract

一种步行辅助装置，其通过负荷传递部(1)将腿部连杆(5)产生的力传递到使用者的躯干上，其中腿部连杆由通过第一关节部(3)连接到负荷传递部上的位于上方的第一连杆部(6)、通过第二关节部(4)连接到脚板装备部(2)上的位于下方的第二连杆部(7)、以使第一关节部和第二关节部之间的距离可改变的方式来连接第一连杆部和第二连杆部的处于中间的第三关节部(8)、以及驱动第三关节部的驱动源(9)构成，该步行辅助装置减小腿部连杆绕第一关节部的惯性矩，使步行时作用于使用者腿上的负荷变小。将驱动源(9)设置在第一连杆部(6)中位于第三关节部(8)上方的部分，并使整个腿部连杆(5)的重心位于第三关节部(8)的上方。另外，在驱动源(9)由电动机(91)和减速机(92)构成的情况下，将电动机(91)设置在减速机(92)的上方。

Description

步行辅助装置

技术领域

本发明涉及一种辅助使用者步行的步行辅助装置。 

背景技术

迄今为止，如下这种步行辅助装置已为公知，即其具有：躯干装备部，该躯干装备部装备于使用者的躯干上；大腿装备部，其通过相当于人的髋关节的髋关节部连接到躯干装备部，并装备于使用者腿部的大腿上；小腿装备部，其通过相当于人的膝关节的膝关节部连接到大腿装备部，并装备于使用者腿部的小腿上；以及脚板装备部，其通过相当于人的踝关节的踝关节部连接到小腿装备部，并装备于使用者的脚板上；并在与各关节部的同轴上设置了驱动该各关节部的驱动源(例如，参照日本专利文献特开2003-220102号公报)。在该步行辅助装置中，通过大腿装备部向使用者的大腿施加来自髋关节部用驱动源的辅助转矩，同时通过小腿装备部向使用者的小腿施加来自膝关节部用驱动源的辅助转矩，且通过脚板装备部向使用者的脚板施加来自踝关节部用驱动源的辅助转矩，能够辅助步行。 

上述迄今为止的步行辅助装置，虽然能辅助使用者的大腿、小腿、脚板的全部运动，但另一方面，大腿和小腿受到大腿装备部和小腿装备部的束缚，束缚感变强。另外，需要安装用于髋关节部、膝关节部、踝关节部等各关节部的驱动源，导致出现成本增加的不利情况。 

为了消除这种不利情况，也可以考虑以如下方式构成步行辅助装置，即其具有负荷传递部、装备于使用者脚板上的脚板装备部、以及处于负荷传递部与脚板装备部之间的腿部连杆，并通过负荷传递部将腿部连杆产生的力传递到使用者的躯干上。由此，利用腿部连杆产生的、通过负荷传递部传递到使用者躯干上的力来减轻作用于使用者腿上的负荷，能辅助步行。另外，将腿部连杆相对于使用者的腿无束缚地设置，能消除束缚感。这种情况下，如果腿部连杆是由通过第一关节部连接到负荷传递部上的位 于上方的第一连杆部、通过第二关节部连接到脚板装备部上的位于下方的第二连杆部、以使第一关节部和第二关节部之间的距离可改变的方式来连接第一连杆部和第二连杆部的位于中间的第三关节部、以及驱动第三关节部的驱动源构成的话，在第三关节部处，利用驱动源产生拉伸第一关节部和第二关节部之间的距离的方向上的力，从而能减轻作用于使用者腿上的负荷。 

在此，因为腿部连杆相对于使用者的腿无束缚，所以使用者的离地腿(脚板离开地面的腿)侧的腿部连杆追随离地腿向前方的伸出，以第一关节部为支点向前方摆动。而且，腿部连杆绕第一关节部的惯性矩一旦变大，在步行时，使用者的腿就会受到腿部连杆的惯性矩影响而感到沉重。 

发明内容

鉴于上述各点，本发明的目的在于，提供一种能减小腿部连杆的惯性矩从而减轻作用于使用者腿上的负荷的步行辅助装置。     

为了达成上述目的，本发明的步行辅助装置具有负荷传递部、装备于使用者脚板上的脚板装备部、以及处于负荷传递部与脚板装备部之间的腿部连杆，并通过负荷传递部将腿部连杆产生的力传递到使用者的躯干上，该腿部连杆由通过第一关节部连接到负荷传递部上的位于上方的第一连杆部、通过第二关节部连接到脚板装备部上的位于下方的第二连杆部、以使第一关节部和第二关节部之间的距离可改变的方式来连接第一连杆部和第二连杆部的位于中间的第三关节部、以及驱动第三关节部的驱动源构成，整个腿部连杆的重心位于第三关节部的上方。 

根据本发明，整个腿部连杆的重心靠近第一关节部，腿部连杆绕第一关节部的惯性矩会减小。因此，在使用者的离地腿向前方伸出时，能减小因腿部连杆的惯性矩而作用于离地腿上的负荷。 

另外，整个腿部连杆的重心位于第三关节部的上方，意味着第一连杆部的质量(包括设置于第一连杆部上的辅助装备的质量)比第二连杆部的质量(包括设置于第二连杆部上的辅助装备的质量)大。在此，人腿的大腿比小腿重。于是，通过将整个腿部连杆的重心设置于第三关节部的上方，腿部连杆的第一连杆部和第二连杆部的质量比接近于人腿的大腿和小腿 的质量比。因此，使用者的离地腿和追随该离地腿进行运动的腿部连杆的总固有振动频率接近于离地腿单独的固有振动频率，不会给离地腿的行动带来不适感。 

在本发明中，驱动源的较佳设置方式为，使驱动源的重心位于第一连杆部中处于第三关节部上方的部分。由此，即使不是有意增大第一连杆部的自身质量，因驱动源具有的较大质量也能使整个腿部连杆的重心位于第三关节部上方。因此，能不增加整个腿部连杆的质量而合理减小腿部连杆的惯性矩。 

另外，当驱动源由电动机和减速机构成时，会有因腿部连杆的厚度限制而不能在同轴上设置电动机和减速机的情况。在这种情况下，较佳的方式是将电动机设置在减速机上方。即，电动机一般比减速机重，通过使电动机的设置位置处于减速机上方来靠近第一关节部，可以有效地减小腿部连杆的惯性矩。 

附图说明

图1表示本发明实施方式的步行辅助装置的侧面图。 

图2表示实施方式的步行辅助装置的正面图。 

图3表示实施方式的步行辅助装置的腿部连杆的第三关节部附近的立体图。 

图4表示使实施方式的步行辅助装置的腿部连杆弯曲时的侧面图。 

1…就座构件(负荷传递部)、2…脚板装备部、3…第一关节部、4…第二关节部、5…腿部连杆、6…第一连杆部、7…第二连杆部、8…第三关节部、9…驱动源、91…电动机、92…减速机 

具体实施方式

下面，就本发明实施方式的步行辅助装置进行说明。如图1及图2所示，步行辅助装置具有使用者P跨进去就座的负荷传递部即就座构件1、装备于使用者的左右脚板上的左右一对脚板装备部2、2、以及左右一对腿部连杆5、5，该左右一对腿部连杆5、5通过上端的第一关节部3连接到就座构件1上，同时通过下端的第二关节部4分别连接到两脚板装备部2、 2上。 

各腿部连杆5是由可改变第一关节部3和第二关节部4之间的距离的、屈伸自如的连杆构成的。即，各腿部连杆5是通过回转式的第三关节部8而将位于上方的第一连杆部6和位于下方的第二连杆部7屈伸自如地连接而成，其中第一连杆部6通过第一关节部3连接到就座构件1上，第二连杆部7通过第二关节部4连接到各脚板装备部2上。在各腿部连杆5中，搭载了用于第三关节部8的驱动源9。而且，通过驱动源9产生的第三关节部8的驱动，将拉伸第一关节部3和第二关节部4之间的距离的方向上的力、即使各腿部连杆5伸展的方向上的力加在各腿部连杆5上，使产生支承使用者的至少部分体重的支承力(以下称为“体重减荷辅助力”)。在各腿部连杆5处产生的体重减荷辅助力通过就座构件1传递至使用者P的躯干上，减轻作用于使用者P腿上的负荷。 

本实施方式的步行辅助装置，只要在使用者P的脚板上装备脚板装备部2并就座于就座构件1上就能使用，几乎不会有束缚感。另外，因为第一关节部3和腿部连杆5位于使用者P的胯下，所以在步行摆臂时，胳膊不会碰到第一关节部3及腿部连杆5，自由摆臂成为可能。并且，装置比较小，即使在狭小的地方也能使用，束缚感的减轻及自由摆臂的确保相互作用，显著提高了随意使用度。 

就座构件1由使用者P就座的鞍状座位部1a和支承座位部1a的处于下面位置的支承架1b构成。另外，用于各腿部连杆5的各第一关节部3具有设置于就座构件1下侧处的、在前后方向上呈长圆弧状的导轨31。而且，通过滑块61上轴装的多个滚子62，将各腿部连杆5可自由移动地卡合在该导轨31上，其中该滑块61固定于第一连杆部6的上端部。这样，各腿部连杆5以导轨31的曲率中心为中心进行前后方向上的摆动，各腿部连杆5在前后方向上的摆动支点为导轨31的曲率中心。 

参照图1，导轨31的曲率中心，即各第一关节部3中的、各腿部连杆5在前后方向上的摆动支点3a位于就座构件1的上方。在此，使用者P进行上半身前倾等动作，使用者P上半身的体重相对于就座构件1的作用点偏移到各腿部连杆5在前后方向上的摆动支点3a的前方，就座构件1的前面部分就会往下倾斜。而且，如果就座构件1继续这样倾斜，就座构 件1就会相对于使用者P偏移到后方。但是，在本实施方式中，随着就座构件1的前面部分往下倾斜，体重作用点在摆动支点3a的下侧变位至后方，该支点3a和体重作用点之间的前后方向上的距离减小，作用于就座构件1上的转矩也减小。于是，在体重作用点变位至摆动支点3a的正下方位置时，作用于就座构件1上的转矩变为零，在这种状态下，就座构件1会稳定。这样一来，因为就座构件1自动地收束于稳定状态，所以能抑制就座构件1在使用者P的胯下前后偏移。 

另外，各腿部连杆5上端部的滑块61卡合在导轨31中的、位于各腿部连杆5的第三关节部8和各腿部连杆5在前后方向上的摆动支点3a(导轨31的曲率中心)之间的连接线后方的部分。由此，可以不必设置那么长的导轨31而确保各腿部连杆5追随使用者P各腿向前方的伸出而往前方摆动的行程。 

另外，用于左右各腿部连杆5的各导轨31通过前后方向的支承轴32轴支承在就座构件1的支承架1b上。因此，各导轨31在横向上摆动自如地连接于就座构件1处。所以，容许各腿部连杆5往横向摆动，使用者P的腿能往外运动。 

各脚板装备部2具有鞋21和自鞋21内突出至上方的连接构件22。而且，各腿部连杆5的第二连杆部7通过第二关节部4连接到该连接构件22上。第二关节部4构成具有横向的第一轴41、上下方向的第二轴42以及前后方向的第三轴43的3轴构造物。另外，第二关节部4中装入了2轴的力传感器44。在此，从横向看，上述体重减荷辅助力作用在线(以下称为“基准线”)L上，该基准线L连接第一关节部3中的腿部连杆5在前后方向上的摆动支点3a和第二关节部4中的腿部连杆5在前后方向上的摆动支点即第一轴41。然后，基于力传感器44测定的2轴方向上的力的测定值，算出作用于基准线L上的实际体重减荷辅助力(准确地说，是体重减荷辅助力和就座构件1、各腿部连杆5的重量产生的力的合力)。 

另外，如图1所示，在设置于鞋21内的鞋内底23的下面，设置了测定作用于使用者P的脚板的中脚趾关节(MP关节)部分和脚后跟部分的负荷的前后一对压力传感器24、24。在辅助步行时，首先，基于各脚板装备部2的两压力传感器24、24的测定值，算出各脚板的作用负荷相对于作 用在使用者两脚板上的总负荷的比例。接着，作为在各腿部连杆5处应产生的体重减荷辅助力的控制目标值，算出事先设定的体重减荷辅助力的设定值乘以各脚板的负荷比例的值。然后，以基于上述力传感器44的测定值算出的实际体重减荷辅助力成为控制目标值的方式，来控制驱动源9。 

在此，驱动源9设置在腿部连杆5上，因为驱动源9为重件物，所以驱动源9和第一关节部3中的腿部连杆5在前后方向上的摆动支点3a之间的距离变长的话，包括驱动源9在内的整个腿部连杆5的重心和摆动支点3a之间的距离也会变长。其结果，腿部连杆5绕摆动支点3a的惯性矩变大，使用者P的离地腿(脚板离开地面的腿)向前方伸出时，因腿部连杆5的惯性矩而作用于离地腿的负荷变大。因此，在本实施方式中，以使驱动源9的重心位于第一连杆部6的第三关节部8上方的方式来设置驱动源9，并使包括驱动源9在内的整个腿部连杆5的重心位于第三关节部8的上方。由此，整个腿部连杆5的重心和摆动支点3a之间的距离变短，腿部连杆5绕摆动支点3a的惯性矩减小，作用于使用者P的离地腿上的负荷减轻。 

另外，使整个腿部连杆5的重心位于第三关节部8上方意味着第一连杆部6的质量大于第二连杆部7的质量。在此，人腿的大腿比小腿重。于是，通过使整个腿部连杆5的重心位于第三关节部8的上方，腿部连杆5的第一连杆部6和第二连杆部7的质量比接近于人腿的大腿和小腿的质量比。另外，第一连杆部6和第二连杆部7的长度比大致等于人腿的大腿和小腿的长度比。因此，使用者的离地腿和追随该离地腿进行运动的腿部连杆5的总固有振动频率接近于离地腿单独的固有振动频率，不会给离地腿的行动带来不适感。 

另外，在本实施方式中，驱动源9由电动机91和行星齿轮式的减速机92构成。在这种情况下，也可以考虑使其位于第一连杆部6的上端附近，并在同轴上设置电动机91和减速机92。但是，在避免和使用者P的腿之间相互干扰方面，腿部连杆5的横向厚度有所限制。这样，将电动机91和减速机92设置在同轴上的话，驱动源9的设置部的厚度有可能超出腿部连杆5的限制厚度，驱动源9可能会碰到使用者P的腿。因此，在本实施方式中，在第一连杆部6上，以电动机91位于减速机92上方的方式 来设置电动机91和减速机92。由此，比减速机92重的电动机91靠近摆动支点3a。因此，能有效减小腿部连杆5绕摆动支点3a的惯性矩。 

第三关节部8由电动机91通过减速机92和动力传递装置10来驱动。参照图3对此进行详细叙述。第三关节部8的构成方式为，通过横向的关节轴81将第二连杆部7的上端部轴装于第一连杆部6的下端部。另外，动力传递装置10是由设置于减速机92的输出侧的第一曲臂部101、延伸至关节轴81上方且与第二连杆部7一体的第二曲臂部102、以及连接两曲臂部101、102的杆103来构成的。由此，减速机92的旋转输出通过第一曲臂部101和杆103传递至第二曲臂部102，第二连杆部7以关节轴81为中心相对于第一连杆部6摆动，腿部连杆5自图1所示的伸展状态弯曲成如图4所示。 

另外，腿部连杆5在使用者P的腿完全伸直的状态下呈弯曲的话，第三关节部8外伸至使用者P膝关节的前方，给使用者P带来不适感。因此，在使用者P的腿完全伸直的状态下，如图1所示，第三关节部8的关节轴81位于上述基准线L上，第三关节部8的弯曲角度θ为0°的状态、即腿部连杆5呈伸展状态是被期望的。 

在此，腿部连杆5为简单的屈伸连杆时，将连接第一关节部3中的腿部连杆5的摆动支点3a和第二关节部4的第一轴41的线段的长度用第三关节部8的弯曲角度θ进行微分后的腿部连杆5的伸缩速度，在弯曲角度θ为0°时为0。因此，在弯曲角度θ成为0°时，失去使腿部连杆5伸展的方向、即将就座构件1往上推的方向上的控制性。因此，使用者P从双腿直立状态向单腿站立状态转换，即使在站立腿侧的腿部连杆5处应产生的体重减荷辅助力增加，在站立腿完全伸直且站立腿侧的腿部连杆5的第三关节部8的弯曲角度θ为0°的情况下，也不能适当地控制体重减荷辅助力。 

因此，在本实施方式中，用连接在第三关节部8上的筒状的上半部71和可自由滑动地插入并支承于上半部71中的下半部72来构成可自由伸缩的腿部连杆5的第二连杆部7，并且，设置了与第三关节部8的弯曲角度θ的增加及减少动作进行连动来使第二连杆部7收缩和伸长的连动装置11。这样，连动装置11的构成方式为，即使使弯曲角度θ为0°时，对第 二连杆部7的长度用第三关节部8的弯曲角度θ进行微分后的第二连杆部7的伸缩速度也不会为0。 

由此，即使在弯曲角度θ为0°时，腿部连杆5的伸缩速度也不会变为0。因此，即使弯曲角度θ变为0°，也不会失去往上推就座构件1方向上的控制性，能根据负荷变化适当控制体重减荷辅助力。其结果，在使用者P的腿完全伸直的状态下，第三关节部8的弯曲角度为0°，即，使腿部连杆5成为伸展状态变得可能，使用者P能无不适感地进行使用。并且，下半部72可通过制动螺母73自由调节成任意长度，能结合使用者P的腿的长度调节腿部连杆的长度。 

在此，用如下方式构成连动装置也是可能的，即设置使第二连杆部7的下半部72相对于上半部71做上下运动的第二连杆部7的伸缩用驱动源和测定第三关节部8的弯曲角度θ的传感器，通过来自传感器的信号使伸缩用驱动源动作，从而使第二连杆部7的下半部72上下运动。但是，这样的话，成本增加，同时腿部连杆的总重量因伸缩用驱动源的影响而变重。因此，在本实施方式中，用变换第二连杆部7的上半部71相对于第一连杆部6绕第三关节部8的旋转运动为第二连杆部7的下半部72的直线运动的机械装置构成连动装置11，能在谋求降低成本的同时，也能将腿部连杆5的总重量的增加控制在较低程度上。 

更具体地说，连动装置11是由第一连动连杆112、第二连动连杆115和第三连动连杆118构成的连杆装置，其中，第一连动连杆112的一端用轴111枢装在第二连杆部7的上半部71上，第二连动连杆115的一端用轴113枢装在第二连杆部7的下半部72上，同时另一端用轴114枢装在第一连动连杆112的另一端，第三连动连杆118的一端用轴116枢装在第一连杆部6上，同时另一端用轴117枢装在第一连动连杆112的中间部。由此，连接第三关节部8的关节轴81、轴111、轴117及轴116的四边形的形状，以第二连杆部7的上半部71相对于第一连杆部6做绕第三关节部8的旋转运动而发生的轴111的变位来变形，随着这种变形，连接轴114和轴111之间的线段以及连接轴114和轴113之间的线段形成的角度发生变化。通过这种角度变化，轴111和轴113之间的距离发生变化，第二连杆部7的下半部72相对于上半部71在其长度方向(上下方向)上做直线 运动。这样，第三关节部8的弯曲角度θ减小时，如图1所示，下半部72运动至下方，第二连杆部7的长度增加，弯曲角度θ增大时，如图4所示，下半部72运动至上方，第二连杆部7的长度减小。并且，不限于本实施方式的连杆装置，用凸轮装置或齿轮齿条装置来构成连动装置11也是可能的。 

另外，第一关节部3具有如上所述的圆弧状导轨31时，在就座构件1的下侧就会出现与导轨31之间的空隙。于是，为了有效利用该空隙，在就座构件1的支承架1b上，以容纳于与导轨31之间的空隙内的方式，设置了用于驱动源9的电池12、控制装置13和电机驱动装置14。 

在此，为了减小腿部连杆5绕第一关节部3中的摆动支点3a的惯性矩，将重件物的驱动源9设置在第三关节部8以上的高度位置是比较理想的。这样，在本实施方式中，驱动源9设置在了如上所述的第一连杆部6中位于第三关节部8上方的部分。另外，重件物的电池12也设置在了高于第三关节部8的就座构件1上。这样，将驱动源9和电池12设置在比较高的位置上，在使用者P直立的状态下，容易在腿部连杆5处因驱动源9和电池12的重量而产生以第二关节部4的第一轴41为中心的前后方向上的倾动转矩，通过这种倾动转矩，前后方向上的压力作用在就座构件1上。 

因此，在本实施方式中，以能够抑制上述倾动转矩发生的方式进行了设置。对于这一点，将使用者P直立时的腿部连杆5的状态定义为基准状态(如图1所示的状态)进行说明。重件物的驱动源9和电池12设置为，在腿部连杆5的基准状态下，通过第二关节部4的第一轴41的铅直且在横向上平行的面即前额面(在本实施方式中，该前额面与上述基准线L基本一致)，在驱动源9的前后方向宽度内以及电池12的前后方向宽度内通过。由此，相对于上述前额面的驱动源9的重心和电池12的重心在前后方向上的偏移距离缩短。因此，在腿部连杆5的基准状态下，因驱动源9和电池12的重量而在腿部连杆5处产生的、以第二关节部4的第一轴41为中心的前后方向上的倾动转矩变小。其结果，在使用者P直立的状态下，因该倾动转矩而作用于就座构件1处的前后方向上的压力也变小，提高稳定性。

并且，将电池12设置在腿部连杆5的第一连杆部6上也是可以的。但是，如果像本实施方式那样将电池12设置在就座构件1上的话，因电池12的质量并未附加在腿部连杆5上，所以能尽量减小腿部连杆5的惯性矩，比较有利。 

以上参照附图就本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不仅限于此。例如，在上述实施方式中，将构成驱动源9的电动机91和减速机92同时设置在第一连杆部6中位于第三关节部8上方的部分，但是也可以将减速机92与第三关节部8进行同轴设置，并将电动机91设置在第一连杆部6中位于第三关节部8上方的部分。在这种情况下，电动机91和减速机92的总重心、即驱动源9的重心位于第一连杆部6中处于第三关节部8上方的部分。 

另外，在上述实施方式中，各腿部连杆5是由中间具有回转式第三关节部8的可自由屈伸的连杆构成的，但是也可以由具有直动式第三关节部的可自由伸缩的连杆来构成腿部连杆。并且，在上述实施方式中，第一关节部3具有圆弧状的导轨31，第一关节部3中的、各腿部连杆5在前后方向上的摆动支点3a位于就座构件1的上方，但是，也可以用简单结构的关节部来构成第一关节部3，其中，该简单结构的关节部具有将各腿部连杆5的上端部在前后方向上可自由摆动地进行轴支承的横轴。另外，也可以用绕使用者腰部进行装备的线束来构成负荷传递部。此外，为了辅助因一条腿骨折等而不方便的使用者的步行，也可以只保留上述实施方式的左右腿部连杆5、5中使用者不方便的腿的腿部连杆，而省去另一条腿的腿部连杆。

Claims (1)

1.一种步行辅助装置，具有负荷传递部、装备于使用者脚板上的脚板装备部、以及处于所述负荷传递部和所述脚板装备部之间的腿部连杆，通过所述负荷传递部将所述腿部连杆产生的力传递到使用者的躯干上，其中，

所述腿部连杆由通过第一关节部连接到所述负荷传递部上的位于上方的第一连杆部、通过第二关节部连接到所述脚板装备部上的位于下方的第二连杆部、以使所述第一关节部和所述第二关节部之间的距离可变化的方式来连接所述第一连杆部和所述第二连杆部并处于中间的第三关节部、以及驱动所述第三关节部的驱动源构成，

整个所述腿部连杆的重心位于所述第三关节部的上方，

所述驱动源设置为其重心位于所述第一连杆部中处于所述第三关节部上方的部分，

所述驱动源由电动机和减速机构成，所述电动机设置在所述减速机的上方，所述减速机在比所述电动机靠近所述第三关节部的位置配置于所述第一连杆部。

Images