CN103260576B - 行走辅助装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种具备缓解跌倒时的冲击的安全装置的行走辅助装置。行走辅助装置(100)包括安装到用户上的大腿连杆(20)和小腿连杆(30)、以及马达(26)和控制器(12)。小腿连杆(30)与大腿连杆(20)连结。控制器(12)控制马达(26)以向小腿连杆(30)施加转矩。控制器(12)还包括对小腿连杆(30)的膝部弯曲方向的旋转产生阻力、但对小腿连杆(30)的膝部伸展方向的旋转不产生阻力的单向阻尼器(40)。控制器(12)在控制马达(26)以向小腿连杆(30)施加膝部伸展方向的扭矩的期间接合单向阻尼器(40),在控制马达(26)以向小腿连杆(30)施加膝部弯曲方向的扭矩的期间释放单向阻尼器(40)。
Description
技术领域
本发明涉及辅助用户的行走动作的行走辅助装置。
背景技术
被安装在用户的腿上并通过向用户的膝关节施加扭矩来辅助行走动作的行走辅助装置正被研究。典型的行走辅助装置包括安装至用户的大腿和小腿上的大腿连杆和小腿连杆、以及使小腿连杆摆动(旋转)的致动器。专利文献1公开了这种行走辅助装置的一个例子。这种行走辅助装置的一个应用目的是用于不能自由活动腿的用户的康复的装置。因此,行走辅助装置最好具有用于用户要跌倒时的一些安全措施。专利文献1的行走辅助装置具有用于检测到异常时的异常时模式。在该异常时模式中,执行强制进行将异常的行走姿态重建的运动的处理、或者切断致动器的动力的处理。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利文献特开2006-61460号公报。
发明内容
发明要解决的问题
强制进行重建姿态的运动就要驱动致动器。在发生了异常时驱动致动器并不是明智的。这是因为小腿连杆的主动性活动可能会给用户带来不好的影响。此外,如果仅靠简单地切断致动器的动力,支撑体重的致动器的动力突然消失,跌倒时可能会给用户带来冲击。本申请文件提供一种具备在不主动驱动小腿连杆的情况下缓解跌倒时的冲击的安全装置的行走辅助装置。
用于解决问题的手段
本申请文件所公开的新型行走辅助装置包括安装到用户的大腿上的大腿连杆、安装到用户的小腿上的小腿连杆、致动器、控制器。小腿连杆可旋转地与大腿连杆连结。当用户安装了行走辅助装置时,大腿连杆和小腿连杆被构成为,小腿连杆相对于大腿连杆的旋转轴线与用户的膝关节的旋转轴大致一致。致动器典型的是电机,能够向小腿连杆施加扭矩。控制器控制致动器,以使小腿连杆的旋转角追随膝部角度的预先确定目标图案。目标图案表示行走时膝部角度随时间的变化。
该行走辅助装置还包括单向阻尼器。单向阻尼器被构成为:相对于小腿连杆的膝部弯曲方向的旋转产生阻力,但相对于小腿连杆的膝部伸展方向的旋转不产生阻力。这里,请注意虽称为“不产生阻力”,但容许微小的机械阻力(摩擦损失)等。控制器对单向阻尼器向小腿连杆的接合和释放进行切换。“接合”换句话说是指使有效。“释放”换句话说是指使无效。当单向阻尼器接合到小腿连杆时,小腿连杆虽容易向膝部伸展方向旋转,但难以向膝部弯曲方向旋转。当从小腿连杆释放了单向阻尼器时,小腿连杆向任何方向都容易旋转。控制器在控制致动器以向小腿连杆施加膝部伸展方向的扭矩的期间接合单向阻尼器,在控制致动器以向小腿连杆施加膝部弯曲方向的扭矩的期间释放单向阻尼器。
在正常的行走动作中,在摆动腿期间的前半期小腿向膝部弯曲方向旋转,在摆动腿期间的后半期小腿向膝部伸展方向旋转。控制器为了实现这样的正常的行走动作,控制致动器,以使其在摆动腿期间的前半期向小腿连杆施加膝部弯曲方向的扭矩,在摆动腿期间的后半期向小腿连杆施加膝部伸展方向的扭矩。该行走辅助装置在摆动腿期间中的小腿向膝部伸展方向旋转的期间发生了某些异常、从而致动器的动力下降了的情况下(或者被切断的情况下),如果将腿触地,则小腿连杆由于单向阻尼器而向膝部弯曲方向缓慢旋转。因此,用户身体缓慢下降,跌倒时的冲击得以缓解。
上述行走辅助装置在向小腿连杆施加膝部伸展方向的扭矩的期间使得单向阻尼器持续接合。即,上述行走辅助装置具有当致动器的动力降低(或被切断)、腿触地并由于体重而小腿连杆开始向膝部弯曲方向旋转时阻尼器立刻工作的优点。
上述行走辅助装置的控制器即使在释放了单向阻尼器的情况下,也优选检测到任何异常时切断向致动器的供电并且接合单向阻尼器。这样的行走辅助装置在检测到异常时,小腿连杆通过体重和单向阻尼器而向膝部弯曲方向缓慢旋转,从而可缓解跌倒的冲击。
此外,上述行走辅助装置优选包括禁止小腿连杆旋转的锁定机构。控制器可以被构成为:在正常状态(未发生异常的状态)下,在安装有小腿连杆的腿处于站立腿期间的期间接合锁定机构,在安装有小腿连杆的腿处于摆动腿期间的期间释放锁定机构。换句话说,控制器可以被构成为:在安装有小腿连杆的腿触地的期间接合锁定机构,在安装有小腿连杆的腿为摆动腿的期间释放锁定机构。通过在被要求可靠地支撑体重的站立腿期间的期间锁定小腿连杆,在没有致动器的动力下就能够支撑体重,可谋求节能。另一方面,控制器在安装有小腿连杆的腿处于摆动腿期间的期间释放锁定机构,并且通过致动器配合行走动作而使小腿连杆摆动(旋转)。
附图说明
图1示出了行走辅助装置的示意性立体图;
图2是单向阻尼器的截面图;
图3是示出单向阻尼器的构成的框图;
图4是说明第二实施例的行走辅助装置的控制顺序的图。
具体实施方式
图1示出了第一实施例的行走辅助装置100的概要图。行走辅助装置100主要包括安装到用户U的右腿UR上的腿装具10、以及控制腿装具10的控制器12。在本实施例中,用户U假定是左腿UL健康但右腿UR不能自由活动的患者。左腿UL由于健康因此腿装具10仅被安装到右腿UR。安装了腿装具的右腿UR以后有时被称为穿戴腿。并且,左腿UL有时被称为健全腿。
在对行走辅助装置100进行说明之前,线对坐标系进行说明。如图1所示,沿用户U的前方设定X轴,沿侧方设定Y轴,沿铅垂上方设定Z轴。在机器人的技术领域,一般来说,将沿机器人(人体)的前后方向延伸的轴(X轴)称为侧倾轴,将沿机器人(人体)的侧方延伸的轴(Y轴)称为俯仰轴,沿铅垂上方(Z轴)延伸的轴称为横摆轴。
对腿装具10的构造进行说明。腿装具10包括大腿连杆20、小腿连杆30、以及脚连杆36。大腿连杆20被安装到用户的大腿上,小腿连杆30被安装到用户的小腿上,脚连杆36被安装到用户的脚上。
大腿连杆20和小腿连杆30在用户的右膝关节的两侧连结。详细来说,大腿连杆20和小腿连杆30通过与用户的膝关节同轴配置的一对第一接头(ioint)25可旋转地相互连结。外侧的第一接头25内置有电机26、角度传感器27、以及单向阻尼器40。电机26向小腿连杆30施加扭矩,以使小腿连杆30绕着膝部俯仰轴摆动(旋转)。以下,将大腿连杆20与小腿连杆30所成的角度称为膝部角度。角度传感器27测量的角度是小腿连杆30相对于大腿连杆20的摆动脚,该角度还相当于用户的大腿与小腿所成的膝部角度。单向阻尼器40的构造将在后面进行说明。
小腿连杆30和脚连杆36经由位于用户的踝关节的两侧的第二接头34相连结。第二接头34不具备致动器,脚连杆36根据用户U的右脚的摆动而被动摆动。在脚连杆36的脚底配置有触地传感器32。触地传感器32检测右腿UR是否触地。
控制器12通过腰带被安装到用户U的腰上。控制器12内置有小型计算机和电池,经由电缆16向腿装具10的各部供应电力,并且控制腿装具10的各部的动作。控制器12基于角度传感器27和触地传感器32的传感数据来控制电机26。电机26依据用户的行走动作来向右膝关节施加扭矩,以使右腿的小腿适当地摆动。例如,控制器12在检测到右腿离地后,控制电机26,以使小腿连杆30的角度(膝部角度)追随预先确定的目标图案。通常,膝部在摆动腿期的前半期向弯曲方向旋转,在摆动腿期的后半期向伸展方向旋转。目标图案描述了膝部目标角度的时序列数据,在摆动腿期的前半期膝部目标角度向膝部弯曲方向变化,在摆动腿期的后半期膝部目标角度向膝部伸展方向变化。控制器12控制电机26,以使角度传感器27测量的实际膝部角度追随目标图案。
对单向阻尼器40的构造进行说明。图2是示出单向阻尼器40的机械构造的截面图,图3是单向阻尼器40的框图。单向阻尼器40の壳体54固定在小腿连杆30上,单向阻尼器40的旋转轴55固定在大腿连杆20上。在图2、图3中,大腿连杆20的顺时针旋转(小腿连杆30的逆时针旋转)相当于膝部伸展方向的旋转,大腿连杆20逆时针旋转(小腿连杆30顺时针旋转)相当于膝部弯曲方向的旋转。
在壳体54的内部形成有充满油的油空间41。油空间41被向旋转轴55的外周突出设置的间隔件55a被二分为弯曲侧油空间41a和伸展侧油空间41b。如图2所示,若大腿连杆20(小腿连杆30)向膝部弯曲方向旋转,则间隔件55a逆时针旋转,弯曲侧油空间41a变窄,伸展侧油空间41b变宽。相反地,若大腿连杆20(小腿连杆30)向膝部伸展方向旋转,则间隔件55a顺时针旋转,伸展侧油空间41b变窄,弯曲侧油空间41a变宽。
弯曲侧油空间41a和伸展侧油空间41b通过三个流路相连,单向阻尼器40的旋转阻力(即,小腿连杆30的旋转容易程度)由通过了流路的油的流动容易程度来决定。第一流路61是经过旁通阀46的通路。第二流路62是经过止回阀44的通路。第三流路63是经过节流孔43和节流孔封闭阀52的通路。
第一流路61是单纯将弯曲侧油空间41a和伸展侧油空间41b相连的流路,在中途具有旁通阀46。若打开旁通阀46,第一流路61就被打开,弯曲侧油空间41a和伸展侧油空间41b相连通。油通过第一流路61可在弯曲侧油空间41a与伸展侧油空间41b之间无阻力地双向流动。在电机26关闭(OFF)的情况下,控制器12打开旁通阀46。其结果是,小腿连杆30能够向膝部弯曲方向和膝部伸展方向的任意方向都容易旋转。若关闭旁通阀46,油就无法在第一流路61中流动。旁通阀46是配置在第一流路61中的筒,通过该筒旋转,阀开口46a在开放和关闭之间被切换。
第二流路62是经过止回阀44的通路。止回阀44包括止回球44a和推压止回球44a的弹簧44b。弹簧44b将止回球44a从弯曲侧油空间41a的一侧向伸展侧油空间41b推压。止回阀44始终允许油无阻力地从伸展侧油空间41b向弯曲侧油空间41a通过。相反地,止回阀44不允许油从弯曲侧油空间41a向伸展侧油空间41b通过。
第三流路63是经过节流孔43和节流孔封闭阀52的通路。节流孔43可缩窄油的流路。流路被缩得越窄,油流动时产生越大的流路阻力。即,当油在第三流路63中通过时,小腿连杆30的旋转承受大的阻力。小腿连杆30的旋转阻力(节流孔43的流路阻力)通过节流孔调节阀42来调节。
如果节流孔封闭阀52关闭,第三流路63就被封闭。节流孔封闭阀52是配置在第二流路62中的筒,通过该筒旋转,阀开口52a在开放与封闭之间被切换。节流孔封闭阀52与小腿连杆30的旋转角(膝部角度)联动而开闭。图3的符号68示意性地示出了固定在大腿连杆20上的凸轮杆。虽省略具体构造的图示,但固定在大腿连杆20上的凸轮杆68与固定在小腿连杆30上的节流孔封闭阀52的开闭杆相接触。根据大腿连杆20与小腿连杆30的相对旋转,凸轮杆68开闭节流孔封闭阀52。凸轮杆68的动作若参考图3进行说明则如下所述。根据大腿连杆20与小腿连杆30的相对旋转,凸轮杆68在图3的上方左右移动。若凸轮杆68向左移动,则节流孔封闭阀52被顶起,阀关闭。如下面所述,还可从控制器12控制节流孔开闭阀52。
旁通阀46、节流孔封闭阀52、以及节流孔调节阀42由控制器12控制。当控制器12封闭旁通阀46、打开节流孔封闭阀52时,油通过流路(止回阀44)从伸展侧油空间41b向完弯曲侧油空间41a顺畅地流动。另一方面,油通过第二流路(止回阀44)是无法从弯曲侧油空间41a流向伸展侧油空间41b的。反而,油通过第三流路63(节流孔43)能够从弯曲侧油空间41a向伸展侧油空间41b缓慢流动。即,当控制器12封闭旁通阀46并开放了节流孔封闭阀52时,小腿连杆30虽能够向膝部伸展方向自由旋转,但膝部弯曲方向的旋转会受到阻力(其中,电机26停止着的情况)。控制器12封闭旁通阀46并打开节流孔封闭阀52相当于“单向阻尼器的接合”。即,当控制器12使单向阻尼器40接合时,单向阻尼器40对小腿连杆30向膝部弯曲方向的旋转产生阻力,而对于小腿连杆30的膝部伸展方向的旋转不产生阻力。旋转阻力可由节流孔调节阀42来调节。节流孔调节阀42也由控制器12控制。
当控制器12开放了旁通阀46时,油双向顺畅游动。从而,小腿连杆30不管向膝部伸展方向和膝部弯曲方向中的哪个方向都能够无阻力地旋转。开放旁通阀46相当于“单向阻尼器的释放”。
当控制器1封闭节流孔封闭阀52并且封闭了旁通阀46时,油通过第二流路62虽能够从弯曲侧油空间41a向伸展侧油空间41b流动,但无法反向流动。即,此时,小腿连杆30被允许其向膝部伸展方向的旋转,但被禁止向膝部弯曲方向的旋转。换句话说,单向阻尼器40此时起到允许小腿连杆30向膝部伸展方向的旋转、但禁止膝部弯曲方向的旋转的单向离合器的功能。图2的构造的单向阻尼器40在膝部弯曲方向的旋转被禁止时可承受的负荷为50Nm。此外,封入弯曲侧油空间41a、伸展侧油空间41b中的油的压力为105MPa。
控制器12在控制电机26的同时,控制单向阻尼器40。这里,“控制单向阻尼器”是指以预定的时机切换单向阻尼器的接合和释放的意思。具体来说,控制器12在控制电机26以向小腿连杆30施加膝部伸展方向的扭矩的期间接合单向阻尼器40。此外,控制器12在控制电机26以向小腿连杆30施加膝部弯曲方向的扭矩的期间释放单向阻尼器40。在接合单向阻尼器40的期间,若由于某种缘故而向电机26的供电被切断,腿装具10无法支撑体重,小腿连杆30欲向膝部弯曲方向旋转。此时,单向阻尼器40工作,小腿连杆30缓慢地向膝部弯曲方向旋转。即,用户的身体缓慢下降。从而,跌倒时的冲击被缓和。
另一方面,在电机26施加膝部弯曲方向的扭矩的期间,单向阻尼器40处于释放状态。电机26不受单向阻尼器40的阻力。
如前所述,单向阻尼器40还能够在允许小腿连杆30在膝部伸展方向上的旋转的同时仅禁止在膝部弯曲方向上的旋转。控制器12根据行走时的各相位而细致地控制单向阻尼器40。接下来,对由控制器12进行的与行走动作的各时机相应的单向阻尼器的详细的控制顺序进行说明。在进行说明之前,对本实施例中的膝部角度的定义进行说明。在本实施例中,当膝盖伸直了时,即大腿和小腿基本排成一条直线时,定义为膝部角度=0,并将膝部弯曲方向定义为膝部角度的正方向。例如,当大腿和小腿构成直角时,膝部角度=90度。
对由控制器12进行的单向阻尼器40的控制顺序进行说明。当穿戴腿触地时,即膝部角度达到0时,控制器12关闭旁通阀46,并且关闭节流孔封闭阀52。于是,小腿连杆30虽被允许向膝部伸展方向旋转,但被禁止向膝部弯曲方向旋转。在穿戴腿处于站立腿期间的期间,控制器12允许小腿连杆30向膝部伸展方向的旋转,但禁止向膝部弯曲方向的旋转。当穿戴腿离地时,控制器12打开旁通阀46。即,控制器12使得小腿连杆30可向膝部伸展方向和膝部弯曲方向中的任意方向自由旋转。但是,控制器12由于向小腿连杆30施加膝部弯曲方向上的扭矩,因此事实上小腿连杆30无法向膝部伸展方向旋转。此时,控制器12打开节流孔封闭阀52。
当穿戴腿触地时,控制器12关闭旁通阀46,并且打开节流孔封闭阀52。即,控制器12接合单向阻尼器40。此时,小腿连杆30虽可向膝部伸展方向自由旋转,但向膝部弯曲方向的旋转受到阻力。
接下来,对发生了某些异常时控制器12对单向阻尼器40的控制进行说明。控制器12在检测到某些异常的情况下,切断向电机26的供电,并且关闭旁通阀46,打开节流孔封闭阀52。即,控制器12在检测到某些异常的情况下,切断向电机26的供电,并且接合单向阻尼器40。通过这样的动作,小腿连杆30通过用户的体重慢慢地向膝部弯曲方向旋转。即,此时,行走辅助装置100起作用以便缓慢降低用户的腰部位置。
接下来,对第二实施例的行走辅助装置进行说明。第一实施例的行走辅助装置100若另外表达的话,能够转换下述模式,即:允许小腿连杆30自由旋转的模式;仅对小腿连杆30的单向(膝部弯曲方向)旋转施加阻力(反向旋转被允许自由进行)模式;以及仅禁止小腿连杆30的单向(膝部弯曲方向)旋转(反向旋转被允许自由进行)模式。以下,将允许小腿连杆30双向自由旋转的模式称为自由模式,将仅对小腿连杆30的单向旋转施加阻力的模式称为阻尼模式,将仅禁止小腿连杆30的单向旋转的模式称为锁定模式。第二实施例的行走辅助装置还包括一个第一实施例的单向阻尼器。将第一实施例的单向阻尼器称为第一阻尼器,将增加的单向阻尼器称为第二阻尼器。第二阻尼器与第一阻尼器对相反的旋转方向进行限制。第一阻尼器和第二阻尼器分别被独立控制。即,第二实施例的行走辅助装置对于小腿连杆30的膝部弯曲方向的旋转可转换(可设定)自由模式、阻尼模式、以及锁定模式,并且对于小腿连杆30的膝部伸展方向的旋转也可转换(可设定)自由模式、阻尼模式以及锁定模式。
图4示出了行走的各时机与第一、第二单向阻尼器的控制顺序关系。人的简图中被涂成黑色的腿表示穿戴腿。人的简图中的(a)至(g)示出了穿戴腿处于摆动腿期时的腿的形态,(h)至(m)示出了穿戴腿处于站立腿期时的腿的形态。摆动腿期还分为小腿向膝部弯曲方向摆动的弯曲期((a)至(c))、和小腿向膝進展方向摆动的伸展期((d)至(g))。
图4下侧表述为“伸展方向”的行表示第二单向阻尼器的控制模式,表述为“弯曲方向”的行表示第一单向阻尼器的控制模式。在摆动腿期的弯曲期,行走辅助装置将第一单向阻尼器设定为自由模式。第二单向阻尼器可以是任意模式。在摆动腿期的伸展期,行走辅助装置将第一单向阻尼器设定为阻尼模式,将第二单向阻尼器设定为自由模式。在站立腿期,行走辅助装置将第一单向阻尼器设定为锁定模式。第二单向阻尼器也可以是任意模式。行走辅助装置在摆动腿期的弯曲期,向小腿连杆施加膝部弯曲方向的扭矩,在伸展期,向小腿连杆施加膝部伸展方向的扭矩。
对上述控制顺序的变形例进行说明。行走辅助装置当在摆动腿期的弯曲期检测到穿戴腿的触地时,控制单向阻尼器,增加弯曲方向上的阻力。弯曲期通常不会触地,因此弯曲期中的触地是不测事态的可能性很高。在这样的状况下,通过增加弯曲方向的阻力来缓和跌倒时的冲击。该变形例能够如下表述。行走辅助装置包括单向阻尼器,该单向阻尼器对小腿连杆的膝部弯曲方向的旋转产生阻力,对小腿连杆的膝部伸展方向的旋转部产生阻力。控制器在控制致动器以向小腿连杆施加膝部伸展方向的扭矩的期间接合单向阻尼器,在控制致动器以向小腿连杆施加膝部弯曲方向的扭矩的期间释放单向阻尼器。而且,控制器当在安装有小腿连杆的腿处于摆动腿期并且小腿向膝部弯曲方向摆动的期间检测到腿触地时,将单向阻尼器的旋转阻力设定为比“控制致动器以向小腿连杆施加膝部伸展方向的扭矩的期间”的旋转阻力大的值。
行走辅助装置在图4的控制顺序中还适宜将穿戴腿的摆动腿期的伸展期的第二单向阻尼器(限制小腿连杆向膝部伸展方向的旋转的阻尼器)设定为阻尼模式来代替自由模式。
行走辅助装置在穿戴腿的摆动腿期的伸展期,当检测到某些异常时,也适宜将第一单向阻尼器(限制小腿连杆向膝部弯曲方向旋转的阻尼器)转换到锁定模式。
以上,对本发明的具体例进行了详细说明,但这些仅仅是例示,并不是限定权利要求的。权利要求所述的技术包含对以上例示的具体例的各种变形、变更。本申请文件或附图中说明的技术要素通过单独或各种组合发挥技术有用性,并不限定于申请时权利要求记载的组合。此外,本申请文件或附图例示的技术是可同时达到多个目的的技术,并且是自身达到其中一个目的、即具有技术有用性的技术。
符号说明
10:腿装具
12:控制器
20:大腿连杆
25、34:接头
26:电机
27:角度传感器
30:小腿连杆
32:触地传感器
36:腿连杆
40:单向阻尼器
41:油空间
41a:弯曲侧油空间
41b:伸展侧油空间
42:节流孔调节阀
43:节流孔
44:止回阀
44a:止回球
44b:弹簧
46:旁通阀
46a:阀开口
52:节流孔封闭阀
52a:阀开口
54:壳体
55:旋转轴
61、62、63:流路
100:行走辅助装置
Claims (2)
1.一种行走辅助装置,其特征在于,包括:
大腿连杆,该大腿连杆被安装到用户的大腿上;
小腿连杆,该小腿连杆可旋转地与大腿连杆连结,并被安装到用户的小腿上;
致动器,该致动器向小腿连杆施加扭矩;
单向阻尼器,该单向阻尼器对小腿连杆的膝部弯曲方向的旋转产生阻力,但对小腿连杆的膝部伸展方向的旋转不产生阻力;
控制器,该控制器控制致动器,并且对单向阻尼器向小腿连杆的接合和释放进行切换,
其中,控制器在控制致动器以向小腿连杆施加膝部伸展方向的扭矩的期间接合单向阻尼器,在控制致动器以向小腿连杆施加膝部弯曲方向的扭矩的期间释放单向阻尼器,
控制器还在检测到异常时切断向致动器的供电并且接合单向阻尼器。
2.如权利要求1所述的行走辅助装置,其特征在于,
还包括禁止小腿连杆旋转的锁定机构,
控制器在安装有小腿连杆的腿处于站立腿期间接合锁定机构,在安装有小腿连杆的腿处于摆动腿期间释放锁定机构。
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