CN102574285B - 旋转限制装置、机器人关节以及行走辅助装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转限制装置，限制旋转部相对于基部的旋转，所述旋转限制装置包括：止动器，被支承为能够绕基部的旋转轴转动；锁机构，能够在禁止止动器相对于基部转动的状态和允许止动器相对于基部转动的状态之间切换；第一块，被设置在旋转部上，并且能够在与止动器的转动路径干涉的位置和不与止动器的转动路径干涉的位置之间移动；以及第二块，被设置在旋转部上，并且能够在与止动器的转动路径干涉的位置和不与止动器的转动路径干涉的位置之间移动。在不限制旋转部相对于基部的旋转的状态下，第一块和第二块均处于与止动器的转动路径干涉的位置，止动器处于第一块和第二块之间。

Description

旋转限制装置、机器人关节以及行走辅助装置

技术领域

本发明涉及旋转限制装置、包括该旋转限制装置的机器人关节以及包括该机器人关节的行走辅助装置。

背景技术

近年来，开发了以下的行走辅助装置，所述行走辅助装置被安装到从用户的大腿至脚(比踝关节靠末端的部分)的部位，通过施加转矩来辅助用户的膝关节的运动。这样的行走辅助装置包括脚架、小腿架、大腿架、以及执行器。脚架被构成为能够安装到用户的脚上。小腿架通过第一旋转接头可旋转地与脚架连接。大腿架被构成为能够安装到用户的大腿上。另外，大腿架通过第二旋转接头可旋转地与小腿架连接。执行器能够对第二旋转接头施加转矩。在该行走辅助装置中，第一旋转接头与用户的踝关节同轴地旋转，第二旋转接头与用户的膝关节同轴地旋转。通过执行器对第二旋转接头施加的转矩来辅助用户的膝关节的运动。执行器的动作被控制单元控制。

在行走辅助装置发生了异常的情况下，优选构成为能够限制被执行器驱动的第二旋转接头的旋转，以确保用户的安全。例如优选构成为：在用户安装有行走辅助装置的状态下，即使是控制单元或执行器进行了异常的动作的情况下，也能够通过限制第二旋转接头的旋转来确保用户的安全。在本说明书中，“限制旋转”意味着限制旋转范围。

作为限制行走辅助装置的第二旋转接头这样的机器人关节的旋转的技术，已知有日本实开平2-122792号公报的技术。在日本实开平2-122792号公报中公开了止动器机构，该止动器机构具有一个旋转侧部件、一个固定止动器以及两个拉入式止动器。在机器人关节的通常动作中，拉入式止动器向后退位置后退，不与旋转侧部件干涉。因此，机器人关节能够旋转到旋转侧部件与固定止动器接触，通过固定止动器来规定机器人关节的旋转范围。在想要限制机器人关节的旋转范围使其比通常动作的旋转范围更小的情况下，使拉入式止动器突出到与旋转侧部件干涉的位置。在此状态下，机器人关节能够旋转到旋转侧部件与拉入式止动器接触。因此，能够限制机器人关节的旋转范围使其比通常动作的旋转范围更小。

发明内容

发明所要解决的问题

在日本实开平2-122792号公报的技术中，通过使拉入式止动器与旋转侧部件干涉来限制机器人关节的旋转。因此，机器人关节的被限制的旋转范围由拉入式止动器的位置规定。为了改变该被限制的旋转范围，必须重新调整拉入式止动器的设置位置、或者固定止动器的设置位置，从而部件更换作业需要劳动力。期待能够更简单地调整机器人关节的旋转范围的技术。

本发明可以解决上述问题。本发明提供一种能够简单地调整机器人关节的旋转范围的技术。

本发明作为限制旋转部相对于基部的旋转的旋转限制装置而被具体化。所述旋转限制装置包括：止动器，被支承为能够绕基部的旋转轴转动；锁机构，能够在禁止止动器相对于基部转动的状态和允许止动器相对于基部转动的状态之间切换；第一块，被设置在旋转部上，并且能够在与止动器的转动路径干涉的位置和不与止动器的转动路径干涉的位置之间移动；以及第二块，被设置在旋转部上，并且能够在与止动器的转动路径干涉的位置和不与止动器的转动路径干涉的位置之间移动。在该旋转限制装置中，在不限制旋转部相对于基部的旋转的状态下，第一块和第二块均处于与止动器的转动路径干涉的位置，止动器处于第一块和第二块之间。

在上述的旋转限制装置中，在锁机构允许止动器的转动的期间，止动器能够绕基部的旋转轴转动。在不限制旋转部相对于基部的旋转的状态下，止动器处于第一块与第二块之间，因此一旦旋转部相对于基部旋转，则止动器与第一块或第二块接触，追随旋转部相对于基部的旋转，止动器也相对于基部转动。并且，一旦锁机构禁止止动器的旋转，止动器的位置被固定到基部上，第一块或第二块与止动器接触，由此能够限制旋转部相对于基部的旋转。该旋转限制装置中的被限制的旋转范围由固定止动器的位置规定。如上所述，在锁机构允许止动器的转动的期间，止动器追随旋转部的旋转而相对于基部转动，因此通过恰当地切换锁机构，能够将止动器固定在期望的位置。根据该旋转限制装置，能够简单地调整旋转部相对于基部的旋转范围。

在上述的旋转限制装置中，优选处于与止动器的转动路径干涉的位置的第一块和处于与止动器的转动路径干涉的位置的第二块之间的间隔与止动器沿其转动方向的宽度相等。

根据上述的旋转限制装置，通过使第一块和第二块均移动到与止动器的旋转路径干涉的位置，能够无间隙地通过第一块和第二块夹持止动器。在止动器追随旋转部的旋转而相对于基部旋转的期间，能够保持止动器与旋转部的相对的位置关系，能够准确地设定止动器被锁机构固定的位置。能够准确地设定被限制的旋转范围。

另外，本发明可以作为包括上述旋转限制装置的机器人关节而具体化，也可以作为包括该机器人关节的行走辅助装置而具体化。

根据本发明，能够简单地调整机器人关节的旋转范围。

附图说明

图1示出行走辅助装置10的示意性的主视图；

图2示出旋转限制装置200的示意性的俯视图；

图3A示出针对图2的A-A截面的旋转限制装置200的示意性的纵截面图；

图3B示出针对图2的B-B截面的旋转限制装置200的示意性的纵截面图；

图3C示出针对图2的C-C截面的旋转限制装置200的示意性的纵截面图；

图4是示意性地示出通过旋转限制装置200禁止顺时针的旋转的情况的图；

图5是示意性地示出通过旋转限制装置200禁止逆时针的旋转的情况的图；

图6示出旋转限制装置200的变形例的示意性的俯视图；

图7示出针对图6的D-D截面的旋转限制装置200的变形例的示意性的纵截面图。

具体实施方式

参照附图来说明本发明的实施例。图1示出了实施例的行走辅助装置10。如图1所示，行走辅助装置10是辅助用户100行走的装置，并且是能够安装到用户100的装置。行走辅助装置10例如被用于难以自主行走的用户100的康复训练。通过使用行走辅助装置10，能够促进用户100的功能恢复，并且也能够减少辅助用户100的辅助者的劳动力。

行走辅助装置10包括控制单元12、大腿架20、小腿架50、以及脚架90。

控制单元12内置有小型的计算机装置和蓄电池，向行走辅助装置10的各部分供应电力，并且控制行走辅助装置10的各部分的动作。控制单元12作为一个例子被安装到用户100的躯干(腰)。控制单元12设置有用于固定到用户100的躯干的安装带14。另外，安装控制单元12的位置不被特别限定，例如也可以成为安装到用户100的背部的构造。

大腿架20、小腿架50以及脚架90被安装到需要辅助的用户100的病腿110(这里为左脚)。详细地说，大腿架20被安装到大腿112上，小腿架50被安装到小腿116上，脚架90被安装到脚118上。

大腿架20具有大腿支承部22以及一对大腿连结体28。大腿支承部22连接一对大腿连结体28。大腿支承部22被配置在用户100的大腿112的前方。大腿连结体28分别被配置在用户100的大腿112的侧方。在大腿支承部22上设置有垫块24和带26。通过系紧带26，能够将大腿架20安装到大腿112上。垫块24与大腿112的前表面接触。

小腿架50具有小腿支承部52以及一对小腿连结体56。小腿支承部52连接一对小腿连结体56。小腿支承部52被配置在用户100的小腿116的前方。小腿连结体56分别被配置在用户100的小腿116的侧方。在小腿支承部52上设置有垫块54。垫块54与小腿116的前表面接触。

大腿架20和小腿架50经由一对膝关节机构40连接。各个膝关节机构40是绕一轴旋转的关节机构，将大腿架20的大腿连结体28和小腿架50的小腿连结体56可摆动地连接。位于病腿110的外侧的膝关节机构40也是内置有膝旋转用执行器(例如，马达)、减速器、角度传感器、旋转限制装置200等并使大腿架20和小腿架50相对地摆动的驱动单元。膝关节机构40经由电线16与控制单元12连接，并通过来自控制单元12的电力而动作，并且其动作被控制单元12控制。作为一个例子，控制单元12存储有经时地记述膝关节机构40的目标角度的目标数据，并控制膝关节机构40的执行器，以使膝关节机构40的实际角度与目标角度一致。

脚架90具有脚板92、鞋94以及一对脚连结体96。脚板92连接一对脚连结体96。鞋94被设置在脚板92的上表面(与脚118相对的面)上。鞋94具有与普通的鞋相同的形状。一旦用户100的脚118穿上了鞋94，则脚板92就被配置在用户100的脚118的下方(脚里侧)。另外，脚连结体96被配置在用户100的脚118的侧方。

小腿架50和脚架90经由一对踝关节机构70连接。各个踝关节机构70是绕一轴旋转的关节机构，将小腿架50的小腿连结体56和脚架90的脚连结体96可摆动地连接。

根据以上的构成，行走辅助装置10主要被安装到用户100的病腿110上，通过调节病腿110的运动，能够辅助用户100的行走。另外，行走辅助装置10的动作方式未被特别限定，可以是大致完全地控制病腿110的运动的方式，也可以是追随病腿110的运动而施加辅助力的方式。

图2和图3示意性地示出了内置于膝关节机构40中的旋转限制装置200的构成。旋转限制装置200包括基部205以及旋转部230。基部205包括分别形成为圆盘状的第一基部210以及第二基部220。第一基部210和第二基部220被配置在同轴上并相互固定。旋转部230形成为中空圆筒状，并与基部205的第一基部210和第二基部220同轴配置。基部205与小腿连结体56的上端连结。旋转部230与大腿连结体28的下端连结。一旦膝旋转用执行器被控制单元12驱动，则旋转部230以第一基部210、第二基部220以及旋转部230的中心轴为旋转中心，相对于基部205相对地旋转。在基部205与旋转部230之间形成有滑动空间222。

在第一基部210上形成有固定止动器212、214。固定止动器212、214被配置成从第一基部210向滑动空间222突出。在图2所示的例子中，固定止动器212、214被设置在180度的位置。另外，固定止动器212、214的相对的位置关系不限于此，可以任意设定。

在第二基部220上设置有滑动止动器216和电磁锁224。滑动止动器216能够沿第二基部220的外周在滑动空间222内滑动。换言之，滑动止动器216能够绕基部205的中心轴旋转，滑动空间222为滑动止动器216的旋转路径。电磁锁224有时锁定滑动止动器216相对于第二基部220的滑动，有时解除锁定。在电磁锁224关断的状态下，滑动止动器216能够相对于第二基部220滑动。在电磁锁224接通的状态下，滑动止动器216被固定到第二基部220。电磁锁224的具体的构成的一个例子如下所述。在第二基部220的外周面每隔预定角度(例如，1°)形成孔。在滑动止动器216上设置通过电磁执行器进退的销。滑动止动器216的销被构成为一旦电磁锁224被接通则通过磁力而嵌入到第二基部220的孔中。一旦滑动止动器216的销嵌入到第二基部220的孔中，则滑动止动器216被固定到第二基部220。

在旋转部230上设置有块232、234。在旋转部230上设置有容纳块232、234的容纳部236、238。块232、234能够通过内置于旋转部230的电磁执行器240、242沿旋转部230的半径方向移动。一旦电磁执行器240、242接通，则块232、234被从滑动空间222拉入容纳部236、238。一旦电磁执行器240、242关断，则块232、234被从容纳部236、238向滑动空间222推出。设定块232、234的安装位置，使得两者被推到滑动空间222时的间隔与滑动止动器216的宽度大致相同。另外，有时将块232称为第一块232，有时将块234称为第二块。

如图3A所示，固定止动器212、214的厚度是与第一基部210大致相同的厚度，并形成为比第一基部210稍薄。如图3C所示，滑动止动器216的厚度是与第二基部220大致相同的厚度，并形成为比第二基部220稍薄。如图3B所示，块232的厚度是与第一基部210和第二基部220两者的总厚度大致相同的厚度，并形成为比第一基部210和第二基部220两者的总厚度稍薄。另外，在图3B中，示出了块232，但是对块234也是同样的。因此，在块232、234突出到滑动空间222的状态下，块232、234成为与固定止动器212、214干涉也与滑动止动器216干涉的位置关系。更严格地说，块232、234与滑动止动器216的移动路径干涉。

电磁锁224、电磁执行器240、242的动作由控制单元12控制。

以下，对旋转限制装置200的动作进行说明。

当使行走辅助装置10通常动作时，图2的电磁锁224和电磁执行器240、242均关断。在此情况下，滑动止动器216能够沿第二基部220的外周自由地滑动，块232、234均突出到滑动空间222。在该状态下，一旦使膝关节机构40旋转、使旋转部230相对于基部205相对旋转，则滑动止动器216在被块232、234夹持的状态下追随旋转部230的旋转而在第二基部220的外周滑动。在此情况下，旋转部230能够相对于基部205逆时针地旋转到块232与固定止动器212接触，并且能够相对于基部205顺时针地旋转到块234与固定止动器214接触。即，行走辅助装置10的通常动作中的膝关节机构40的旋转范围被固定止动器212、214规定。

当行走辅助装置10发生了某些异常时，能够使用旋转限制装置200来限制膝关节机构40的旋转。本实施例的旋转限制装置200可在以下说明的(1)完全旋转禁止、(2)顺时针旋转禁止、(3)逆时针旋转禁止中的任一方式下限制膝关节机构40的旋转。以哪种方式限制膝关节机构40的旋转可以由控制单元12酌情选择。

(1)完全旋转禁止

当完全禁止膝关节机构40的旋转时，控制单元12使电磁锁224接通，使电磁执行器240、242关断。在此情况下，滑动止动器216通过电磁锁224被固定到第二基部220。并且，块232、234均突出到滑动空间222。在该状态下，滑动止动器216被块232、234夹持，并且滑动止动器216被固定到第二基部220，因此旋转部230被禁止在图2的顺时针方向和在逆时针方向上相对于基部205旋转。能够完全锁定膝关节机构40的旋转。

(2)顺时针旋转禁止

当禁止膝关节机构40的顺时针方向的旋转时，控制单元12使电磁锁224接通，使电磁执行器240关断，使电磁执行器242接通。在此情况下，如图4所示，滑动止动器216被固定到第二基部220，块234被拉入容纳部238中，块232突出到滑动空间222。在该状态下，旋转部230能够相对于基部205在图4的顺时针方向上旋转到块232与滑动止动器216接触，在逆时针方向上旋转到块232与固定止动器212接触。即，在顺时针方向上，能够旋转到使电磁锁224接通的时间点上的旋转角度，在逆时针方向上，能够旋转到与通常动作时相同的范围。因此，与行走辅助装置10的通常动作中的膝关节机构40的旋转范围相比，能够将膝关节机构40的旋转限制到更小的范围。

(3)逆时针旋转禁止

当禁止膝关节机构40的逆时针方向的旋转时，控制单元12使电磁锁224接通，使电磁执行器240接通，使电磁执行器242关断。在此情况下，如图5所示，滑动止动器216被固定到第二基部220，块232被拉入容纳部236中，块234突出到滑动空间222。在该状态下，旋转部230能够相对于基部205在图5的顺时针方向上旋转到块234与固定止动器214接触，在逆时针方向上能够旋转到块234与滑动止动器216接触。即，在顺时针方向上，能够旋转到与通常动作时相同的范围，在逆时针方向上，能够旋转到使电磁锁224接通的时间点上的旋转角度。因此，与行走辅助装置10的通常动作中的膝关节机构40的旋转范围相比，能够将膝关节机构40的旋转限制到更小的范围。

以上所述，根据本实施例的旋转限制装置200，通过电磁锁224锁定在第二基部220的外周滑动的滑动止动器216，由此能够改变膝关节机构40的旋转范围至比通常动作中的旋转范围小的范围。即使是行走辅助装置10发生了某些异常的情况等、想要暂时限制膝关节机构40的旋转范围的情况下，也能够恰当地限制膝关节机构40的旋转。即使是控制单元12或膝旋转用执行器万一失控的情况下，也能够通过旋转限制装置200来较小地改变膝关节机构40的旋转范围，从而能够确保用户的安全。

另外，根据本实施例的旋转限制装置200，在用户行走时行走辅助装置10发生了异常的情况下，通过进行上述(2)的顺时针旋转禁止或(3)的逆时针旋转禁止，能够限制膝关节机构40的旋转范围，而不会完全禁止膝关节机构40的旋转。一旦完全禁止膝关节机构40的旋转，则用户不得不在膝弯曲或者膝伸开的状态下继续行走，从而有可能导致用户跌倒。根据本实施例的旋转限制装置200，能够预先避免这样的情况。

当通过本实施例的旋转限制装置200来限制膝关节机构40的旋转时，该被限制的旋转范围由被电磁锁224锁定的时间点上的滑动止动器216的位置来规定。因此，能够在使膝关节机构40实际旋转的同时调整被旋转限制装置200限制的旋转范围。能够不用进行部件更换等的作业而简单地调整膝关节机构40的旋转范围。

在进行上述(2)的顺时针旋转禁止、或者(3)的逆时针旋转禁止的旋转限制的期间，一旦旋转部230相对于基部205相对旋转，则滑动止动器216成为运离块232、234的状态。因此，当解除旋转限制装置200的旋转制限来使行走辅助装置10复原到通常动作时，需要使滑动止动器216复原到被两个块232、234夹持的位置。这里，例如，也可以构成为另外配置使滑动止动器216滑动的滑动用执行器。通过配置这样的滑动用执行器，能够在用户安装有行走辅助装置10的状态下，使滑动止动器216复原到被两个块232、234夹持的位置。在此情况下，也可以构成为：在滑动止动器216上还设置单向离合器，在通过滑动用执行器使滑动止动器216复原到被两个块232、234夹持的位置的动作的期间禁止向相反方向的滑动。通过成为这样的构成，即使是在使滑动止动器216复原的期间发生了某些异常的情况下，也能够避免滑动止动器216向相反方向滑动的情况。

另外，在上述的实施例中，记载了设置一组滑动止动器216和电磁锁224的方式，但是也可以构成为设置多组滑动止动器和电磁锁。图6和图7示出了设置两组滑动止动器和电磁锁时的旋转限制装置200的构成。在图6和图7所示的例子中，基部205包括第一基部210、第二基部220以及第三基部310。第三基部310被形成为圆盘状，并与第一基部210和第二基部220同轴固定。在第三基部310上设置有滑动止动器312和电磁锁314。滑动止动器312能够沿第三基部310的外周在滑动空间222的内部滑动。电磁锁314有时锁定滑动止动器312相对于第三基部310的滑动，有时解除锁定。

在旋转部230上设置有块320、322。在旋转部230上设置有容纳块320、322的容纳部324、326。块320、322能够通过内置于旋转部230的电磁执行器328、330沿旋转部230的半径方向移动。一旦使电磁执行器328、330接通，则块320、322被从滑动空间222拉入容纳部324、326。一旦电磁执行器328、330关断，则块320、322被从容纳部324、326向滑动空间222推出。设定块320、322的安装位置，使得两者被推到滑动空间222时的间隔与滑动止动器216的宽度大致相同。

在上述的构成中，一旦使电磁锁224、314接通、使电磁执行器242关断、使电磁执行器240、328、330接通，则如图6所示，滑动止动器216被固定到第二基部220，滑动止动器312被固定到第三基部310，块232、320、322被拉入容纳部236、324、326中，块234突出到滑动空间222。在该状态下，旋转部230能够相对于基部205在图6的顺时针方向上旋转到块234与滑动止动器312接触，在逆时针方向上，能够旋转到块234与滑动止动器216接触。即，对于顺时针方向和逆时针方向中的任一方向，与行走辅助装置10的通常动作中的膝关节机构40的旋转范围相比，均能够将膝关节机构40的旋转限制到更小的范围。

对实施例的注意点进行说明。实施例的旋转限制装置200是限制旋转部230相对于基部205的旋转的装置。旋转限制装置200包括可动止动器(滑动止动器216、312)、锁机构(电磁锁224)、以及第一拉入式块(块232)。可动止动器被基部205支承并能够沿基部的周方向移动。锁机构能够禁止可动止动器的移动。另外，一旦锁机构被断开，则可动止动器能够在周方向上自由地移动。第一拉入式块被设置在旋转部上，并构成为能够从与可动止动器的移动路径干涉的第一位置拉到不与可动止动器的移动路径干涉的第二位置。使锁机构接合来禁止可动止动器的移动并且使第一拉入式块处于第一位置，由此可动止动器和第一拉入式块限制旋转部的旋转范围。

实施例的旋转限制装置200还包括第二拉入式块(块234)，所述第二拉入式块被设置在旋转部上，并能够从与可动止动器的移动路径干涉的第三位置拉到不与可动止动器的移动路径干涉的第四位置。处于第一位置的第一拉入式块和处于第三位置的第二拉入式块之间的间隔与可动止动器的周方向的长度本质上相等。

以上，详细地说明了本发明的具体例，但是这些例子只不过是示例，并不限定权利要求的范围。权利要求的范围所记载的技术包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更而成的技术。本说明书或者附图说明的技术要素通过单独或各种组合来发挥技术的有用性，并不限于申请时权利要求记载的组合。另外，本说明书或附图例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中的一个目的自身具有技术上的有用性。

符号说明：

10行走辅助装置

12控制单元

14安装带

16电线

20大腿架

22大腿支承部

24垫块

26带

28大腿连结体

40膝关节机构

50小腿架

52小腿支承部

54垫块

56小腿连结体

70踝关节机构

90脚架

92脚板

94鞋

96脚连结体

100用户

110病腿

112大腿

116小腿

118脚

200旋转限制装置

205基部

210第一基部

212、214固定止动器

216、312滑动止动器

220第二基部

222滑动空间

224、314电磁锁

230旋转部

232、234、320、322块

236、238、324、326容纳部

240、242、328、330电磁执行器

310第三基部

Claims (4)

1.一种旋转限制装置，其限制旋转部相对于基部的旋转，并包括止动器，该止动器被支承为能够绕基部的旋转轴转动，

所述旋转限制装置的特征在于，还包括：

锁机构，能够在禁止止动器相对于基部转动的状态和允许止动器相对于基部转动的状态之间切换；

第一块，被设置在旋转部上，并且能够在与止动器的转动路径干涉的位置和不与止动器的转动路径干涉的位置之间移动；以及

第二块，被设置在旋转部上，并且能够在与止动器的转动路径干涉的位置和不与止动器的转动路径干涉的位置之间移动；

在不限制旋转部相对于基部的旋转的状态下，第一块和第二块均处于与止动器的转动路径干涉的位置，止动器处于第一块和第二块之间。

2.如权利要求1所述的旋转限制装置，其特征在于，

处于与止动器的转动路径干涉的位置的第一块和处于与止动器的转动路径干涉的位置的第二块之间的间隔与止动器沿其转动方向的宽度相等。

3.一种机器人关节，包括权利要求1或2所述的旋转限制装置。

4.一种行走辅助装置，包括权利要求3所述的机器人关节。