CN105963107B - 摆动关节装置、步行辅助装置、输送装置、机械手以及脚力支援装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供摆动关节装置、步行辅助装置、输送装置、机械手以及脚力支援装置。摆动关节装置具备：驱动轴部件；第一输出部，其绕作为上述驱动轴部件的轴的驱动轴摆动；弹性体，其产生与作为上述第一输出部的摆动角度的第一摆动角度对应的施力扭矩；表观上刚性可变部，其使从上述第一输出部观察的上述弹性体的表观上的刚性可变；第一角度检测部，其对上述第一摆动角度进行检测；以及控制部，其根据由上述第一角度检测部检测出的上述第一摆动角度对上述表观上刚性可变部进行控制而调整从上述第一输出部观察的上述弹性体的上述表观上的刚性。

Description

摆动关节装置、步行辅助装置、输送装置、机械手以及脚力支 援装置

技术领域

本发明涉及进行周期性的摆动运动的摆动关节装置、步行辅助装置、输送装置以及机械手，即关节的刚性可变的摆动关节装置、步行辅助装置、输送装置以及机械手。另外，本发明涉及支援用户的步行或者行走的脚力支援装置。

背景技术

作为对进行周期性的摆动运动的关节进行控制的装置的例子，例如在日本特开2004-344304公开了对用户(使用者)的下肢(从股关节至脚)给予辅助力的步行辅助装置。该步行辅助装置具有：安装为缠绕用户的腰部的腰部用具、从股关节的侧方向膝关节的侧方延伸的连结杆、从膝关节的侧方向小腿延伸的小腿部用具、安装于连结杆的股关节的侧方的位置的股关节促动器以及安装于连结杆的膝关节的侧方的位置的膝关节促动器。而且，股关节促动器安装于腰部用具的连结部，在股关节的侧方使连结杆相对于腰部用具绕股关节向前后摆动。另外，膝关节促动器在膝关节的侧方使小腿部用具相对于连结杆绕膝关节向前后摆动。另外，股关节促动器与膝关节促动器为电动马达，针对该电动马达的电力从安装于腰部用具的电池被供给。

另外，在日本特开2012-125388公开了支援用户的小腿(从膝盖至脚踝)的摆动运动的步行康复训练装置。该步行康复训练装置具有：配置于用户的腰周围的控制器、从股关节的侧方向膝关节的侧方延伸的大腿连杆、从膝关节的两侧方分别向脚踝关节延伸的小腿连杆、配置于膝关节的侧方的马达以及从脚踝关节向脚掌延伸的脚连杆。而且，马达安装于大腿连杆与小腿连杆的连结部亦即膝关节的侧方，在膝关节的侧方使小腿连杆相对于大腿连杆绕膝关节向前后摆动。另外，针对马达的电力从内置于控制器的电池被供给。

另外，在日本特开2013-236741公开了安装于一只脚为健康脚且另一只脚为患病脚的用户的患病脚，来支援患病脚的摆动运动的单脚式步行支援机。该单脚式步行支援机具有：配置于用户的腰的侧方的腰安装部、从股关节的侧方向膝关节的侧方延伸的大腿连杆部、从膝关节的侧方向下方延伸的小腿连杆部、配置于股关节的侧方的扭矩产生装置以及配置于膝关节的侧方的减震器。而且，扭矩产生装置由凸轮与压缩弹簧构成，在患病脚因健康脚的伸出而向后方摆动时产生扭矩，使用产生的扭矩支援患病脚的伸出，从而不需要电动马达等促动器。另外，构成为能够调整压缩弹簧的初始压缩量，从而使产生扭矩的大小可变。

日本特开2004-344304所记载的步行辅助装置以及日本特开2012-125388所记载的步行康复训练装置均使用电动马达支援下肢或者下肢的一部分的步行动作，但若不持续来自电池的电力的供给，则无法进行支援。另外，由于不能让需要步行的支援的用户携带又大又重的电池，所以推断为使用小而轻型的电池。另外，在日本特开2004-344304以及日本特开2012-125388未示出减少电动马达的功率消耗的特别的结构。因此，推断为日本特开2004-344304以及日本特开2012-125388所记载的支援装置的连续动作时间比较短。

另外，日本特开2013-236741所记载的单脚式步行支援机不使用电动马达，而通过凸轮与压缩弹簧产生用于使脚伸出的扭矩，从而连续动作时间比日本特开2004-344304以及日本特开2012-125388长。但是，针对每个用户的体格的差异(下肢的惯性力矩的差异)、每个用户的下肢的摆动角度的差异、用户的身体状况、步行场所的倾斜的差异等，要用一字改锥等工具调整设置于扭矩产生装置的压缩弹簧的上部的决定部的位置，用户必须手动地调整压缩弹簧的初始压缩量，因此较繁琐。

发明内容

本发明提供一种通过自动地调整进行摆动运动的关节的刚性，来自动地调整由摆动运动产生的扭矩，从而能够更加减少功率消耗或者用户的负荷的摆动关节装置、步行辅助装置、输送装置、机械手以及脚力支援装置。

本发明的一方式涉及摆动关节装置，其具有：驱动轴部件；第一输出部，其绕作为上述驱动轴部件的轴的驱动轴摆动；弹性体，其产生与作为上述第一输出部的摆动角度的第一摆动角度对应的施力扭矩；表观上刚性可变部，其使从上述第一输出部观察的上述弹性体的表观上的刚性可变；第一角度检测部，其对上述第一摆动角度进行检测；以及控制部，其根据由上述第一角度检测部检测出的上述第一摆动角度对上述表观上刚性可变部进行控制，来对从上述第一输出部观察的上述弹性体的上述表观上的刚性进行调整。

根据上述结构，使用控制部，根据第一摆动角度对表观上刚性可变部进行控制，从而相对于包括第一输出部的摆动对象物带来的摆动运动，自动地调整支援摆动运动所需的扭矩的大小，因此能够简单地调整扭矩。另外，使用弹性体，产生支援摆动运动所需的扭矩，因此能够更加减少功率消耗或者用户的负荷。

在上述方式的摆动关节装置中，上述弹性体也可以包括盘簧，从上述第一输出部观察的上述弹性体的上述表观上的刚性包括从上述第一输出部观察的上述盘簧的表观上的弹簧常数，使从上述第一输出部观察的上述弹性体的上述表观上的刚性可变的上述表观上刚性可变部包括使从上述第一输出部观察的上述盘簧的上述表观上的弹簧常数可变的表观上弹簧常数可变部。

根据上述结构，在弹性体使用盘簧，例如在将用户的脚设为摆动对象物的情况下，根据用户的步行、行走等的动作，适当地调整从第一输出部观察的表观上的弹簧常数(刚性)。根据摆动对象物的动作，调整从第一输出部观察的表观上的弹簧常数(刚性)，从而能够顺利且适当地进行能量向盘簧的保存与能量从盘簧的释放。

在上述方式的摆动关节装置中，也可以在与上述盘簧邻接的位置配置有对上述盘簧的固定端进行支承的弹簧固定部件，作为上述盘簧的一端的自由端连接于以与上述第一输出部的上述第一摆动角度对应的角度摆动的弹簧输入轴部件，作为上述盘簧的另一端的上述固定端连接于在上述弹簧固定部件的从上述驱动轴分离的位置设置的弹簧支承体。而且，上述表观上弹簧常数可变部由上述弹簧固定部件以及刚性调整部件构成，其中，上述弹簧固定部件被支承为能够绕上述驱动轴自由旋转，通过绕上述驱动轴以规定旋转角度旋转，使上述弹簧支承体相对于上述驱动轴的位置绕上述驱动轴移动上述规定旋转角度，上述刚性调整部件使上述弹簧固定部件绕上述驱动轴旋转，来使上述盘簧的上述固定端的位置可变。

根据上述结构，能够具体地实现调整盘簧的表观上弹簧常数的表观上弹簧常数可变部。

在上述方式的摆动关节装置中，也可以在上述第一输出部与上述盘簧之间设置有变速器，上述变速器具有若上述第一输出部以上述第一摆动角度摆动，则按照被规定的变速比变速的变速后摆动角度摆动的上述弹簧输入轴部件。

根据上述结构，使用变速器，从而能够将对第一输出部的第一摆动角度进行了放大的变速后摆动角度输入盘簧，因此能够使用弹簧常数更小的盘簧。因此，能够促进摆动关节装置的小型化。

在上述方式的摆动关节装置中，上述控制部也可以当在上述第一摆动角度为零的情况下将上述盘簧未产生施力扭矩的上述弹簧支承体的位置设为基准位置的情况下，通过根据上述第一输出部的上述第一摆动角度，对上述刚性调整部件进行控制而对上述弹簧固定部件的旋转角度进行调整，来调整上述弹簧支承体相对于上述基准位置的位置，从而对从上述第一输出部观察的上述盘簧的上述表观上的弹簧常数进行调整。

根据上述结构，根据控制部对刚性调整部件进行控制而仅使弹簧固定部件旋转，能够对表观上弹簧常数进行调整，因此能够容易地调整表观上弹簧常数。

在上述方式的摆动关节装置中，也可以具有基于来自上述控制部的控制信号使上述第一输出部绕上述驱动轴摆动的第一驱动部。

根据上述结构，通过第一驱动部使第一输出部摆动，因此例如在将摆动关节装置利用为支援用户的步行、行走的脚力支援装置的情况下，能够更加减少用户的步行或者行走时的负荷。

上述方式的摆动关节装置也可以具有：第二输出部，其被支承为能够绕上述驱动轴自由摆动；第二角度检测部，其对作为上述第二输出部的摆动角度的第二摆动角度进行检测；第二驱动部，其基于来自上述控制部的控制信号使上述第二输出部绕上述驱动轴摆动；以及摆动连杆部件，其连接于上述第一输出部与上述第二输出部，并基于上述第一输出部的上述第一摆动角度与上述第二输出部的上述第二摆动角度进行动作。

根据上述结构，例如在将摆动关节装置利用为支援用户的步行、行走的脚力支援装置的情况下，能够通过第一输出部支援用户的大腿部的运动，通过第二输出部支援用户的小腿部，因此能够进一步减少用户的步行或者行走时的负荷。

本发明的其他方式涉及具有上述方式的摆动关节装置的步行辅助装置。

根据上述结构，能够实现能够更加减少用户的步行时的负荷的步行辅助装置。

本发明的其他方式涉及具有上述方式的摆动关节装置的输送装置。上述输送装置包括上述驱动轴部件、以绕上述驱动轴部件的上述驱动轴摆动的方式进行往复旋转动作的上述第一输出部亦即小齿轮、具有与上述小齿轮啮合的齿条部并根据作为上述小齿轮的往复旋转角度的摆动角度进行往复直线运动的臂亦即能够把持与释放工件的上述臂、驱动上述小齿轮使之旋转的小齿轮驱动部、对作为上述小齿轮的上述摆动角度的上述第一摆动角度进行检测的上述第一角度检测部、在上述小齿轮驱动部驱动上述小齿轮使之旋转时积蓄能量并在释放积蓄的能量时驱动上述小齿轮使之旋转的上述盘簧、具有上述弹簧固定部件以及上述刚性调整部件的上述表观上弹簧常数可变部、以及对上述小齿轮驱动部与上述刚性调整部件进行控制的上述控制部，通过使上述臂进行往复直线运动并且把持与释放工件，使工件移动。

根据上述结构，能够实现能够更加减少小齿轮驱动部的功率消耗的输送装置。

本发明的其他方式涉及具有上述方式的摆动关节装置的机械手。上述机械手包括上述驱动轴部件、绕上述驱动轴部件的上述驱动轴摆动的上述第一输出部亦即摆动部、使上述摆动部摆动的摆动部驱动部、对作为上述摆动部的摆动角度的上述第一摆动角度进行检测的上述第一角度检测部、在上述摆动部驱动部使上述摆动部摆动时积蓄能量并在释放积蓄的能量时使上述摆动部摆动的上述盘簧、具有上述弹簧固定部件以及上述刚性调整部件的上述表观上弹簧常数可变部、以及对上述摆动部驱动部与上述刚性调整部件进行控制的上述控制部。

根据上述结构，能够实现能够更加减少摆动部驱动部的功率消耗的机械手。

本发明的其他方式涉及对用户的下肢的运动给予辅助力的脚力支援装置。脚力支援装置具备：腰侧安装部，其安装于上述用户的腰侧部；长条状的第一摆动臂，其配置于上述用户的大腿的侧方，并在该第一摆动臂的上部形成成为该第一摆动臂的摆动的轴的凹形状或者凸形状；大腿安装部，其安装于上述第一摆动臂，并紧贴于上述用户的大腿；驱动轴部件，其对成为上述第一摆动臂的上述摆动的轴的凹形状或者凸形状进行支承，并相对于上述腰侧安装部将上述第一摆动臂支承为能够沿上述用户的前后方向自由摆动；刚性可变部，其使绕上述驱动轴部件的轴亦即驱动轴摆动用的上述第一摆动臂摆动所需的力亦即刚性可变；以及控制部，其通过对上述刚性可变部进行控制，对绕上述驱动轴摆动的上述第一摆动臂的上述刚性进行控制。而且，上述刚性可变部由盘簧、弹簧固定部件以及刚性调整旋转部件构成，上述盘簧、上述弹簧固定部件以及上述刚性调整旋转部件配置为与上述驱动轴同轴，在与上述盘簧邻接的位置配置有对上述盘簧的固定端进行支承的弹簧固定部件。另外，作为上述盘簧的一端的自由端连接于以与作为上述第一摆动臂的摆动角度的第一摆动角度对应的角度摆动的弹簧输入轴部件，作为上述盘簧的另一端的上述固定端连接于在上述弹簧固定部件的从上述驱动轴分离的位置设置的弹簧支承体，上述刚性调整旋转部件基于来自上述控制部的控制信号，使上述弹簧固定部件绕上述驱动轴旋转，使上述盘簧的上述固定端的位置移动，从而对上述刚性进行调整。

根据上述结构，使用控制部对刚性可变部进行控制，对驱动轴部件周围的刚性(使第一摆动臂摆动所需的力)进行控制，从而相对于包括第一摆动臂的摆动对象物带来的摆动运动，自动地调整支援摆动运动所需的扭矩的大小，因此能够简单地调整扭矩。另外，产生支援摆动运动所需的扭矩，因此能够更加减少功率消耗或者用户的负荷。另外，能够具体地实现刚性可变部。

在上述方式的脚力支援装置中，也可以在上述第一摆动臂与上述盘簧之间设置有变速器，上述变速器具有若上述第一摆动臂以上述第一摆动角度摆动，则按照被规定的变速比变速的变速后摆动角度摆动的上述弹簧输入轴部件。

根据上述结构，使用变速器，从而能够将对第一摆动臂的第一摆动角度进行了放大的变速后摆动角度输入盘簧，因此能够使用弹簧常数更小的盘簧。因此，能够促进脚力支援装置的小型化。

上述方式的脚力支援装置也可以具备对上述第一摆动臂的上述第一摆动角度进行检测的第一角度检测部，上述控制部根据由上述第一角度检测部检测出的上述第一摆动角度，对上述刚性调整旋转部件进行控制，而对上述弹簧固定部件的旋转角度进行调整，来对从上述第一摆动臂观察的上述盘簧的表观上的弹簧常数进行调整，从而对上述刚性进行调整。

根据上述结构，根据控制部对刚性调整旋转部件进行控制而仅使弹簧固定部件旋转，能够对从第一摆动臂观察的盘簧的表观上弹簧常数进行调整，因此能够容易地调整表观上弹簧常数。

在上述方式的脚力支援装置中，上述控制部也可以基于上述第一摆动臂绕上述驱动轴的摆动频率以及上述第一摆动角度、包括上述第一摆动臂的摆动对象物的绕上述驱动轴的惯性力矩、上述盘簧的弹簧常数，以上述盘簧的共振频率与上述摆动对象物的上述摆动频率一致的方式对上述弹簧固定部件的旋转角度进行调整。

根据上述结构，能够使用控制部将弹簧固定部件的旋转角度自动地调整成与包括第一摆动臂的摆动对象物对应的适当的角度。因此，通过自动地调整进行摆动运动的关节的刚性，能够自动地调整产生扭矩。另外，假设即使通过电动马达使第一摆动臂进行摆动运动，也能够以适当的扭矩支援摆动运动，因此能够更加减少摆动用的电动马达的功率消耗。另外，即便在不通过电动马达使摆动臂摆动而是用户自己摆动的情况下，也能以适当的扭矩支援摆动运动，因此能够更加减少用户的负荷。

上述方式的脚力支援装置也可以具有基于来自上述控制部的控制信号使上述第一摆动臂绕上述驱动轴摆动的第一驱动部。

根据上述结构，通过第一驱动部使第一摆动臂摆动，因此能够更加减少用户的步行或者行走时的负荷。

上述方式的脚力支援装置也可以具有：第二摆动臂，其被支承为能够绕上述驱动轴自由摆动；第二角度检测部，其对作为上述第二摆动臂的摆动角度的第二摆动角度进行检测；第二驱动部，其基于来自上述控制部的控制信号使上述第二摆动臂绕上述驱动轴摆动；摆动连杆部件，其连接于上述第一摆动臂与上述第二摆动臂，并基于上述第一摆动臂的上述第一摆动角度与上述第二摆动臂的上述第二摆动角度进行动作；以及小腿安装部，其安装于上述第二摆动臂，并紧贴于上述用户的小腿。

根据上述结构，能够通过第一摆动臂支援用户的大腿部的运动，通过第二摆动臂支援用户的小腿部，因此能够进一步减少用户的步行或者行走时的负荷。

本发明的其他方式涉及摆动关节装置。摆动关节装置具有：驱动轴部件；第一摆动臂，其被支承为能够绕作为上述驱动轴部件的轴的驱动轴自由摆动；盘簧，其产生与作为上述第一摆动臂的摆动角度的第一摆动角度对应的施力扭矩；表观上弹簧常数可变部，其使从上述第一摆动臂观察的上述盘簧的表观上的弹簧常数可变；第一角度检测部，其对上述第一摆动角度进行检测；以及控制部，其根据由上述第一角度检测部检测出的上述第一摆动角度对上述表观上弹簧常数可变部进行控制。而且，上述表观上弹簧常数可变部为能够调整变速比的变速部，并配置于将上述第一摆动臂的上述第一摆动角度传递至上述盘簧的摆动角度传递路径中，将上述第一摆动臂的上述第一摆动角度转换成与被上述控制部调整的变速比对应的弹簧摆动角度，并传递至上述盘簧。另外，上述控制部通过根据上述第一摆动角度对上述变速部的变速比进行调整，对从上述第一摆动臂观察的上述盘簧的表观上弹簧常数进行调整。

根据上述结构，使用控制部，根据第一摆动角度对表观上弹簧常数可变部进行控制，从而相对于包括第一摆动臂的摆动对象物带来的摆动运动，自动地调整支援摆动运动所需的扭矩的大小，因此能够简单地调整扭矩。另外，使用盘簧，产生支援摆动运动所需的扭矩，因此能够更加减少功率消耗或者用户的负荷。另外，根据控制部仅对变速部的变速比进行调整，能够容易地变更从第一摆动臂观察的盘簧的表观上弹簧常数。另外，使用变速部，从而能够将对第一摆动臂的第一摆动角度进行了放大的摆动角度输入盘簧，因此能够使用弹簧常数更小的盘簧。因此，能够促进摆动关节装置的小型化。

在上述方式的摆动关节装置中，也可以在与上述盘簧邻接的位置配置有对上述盘簧的固定端进行支承的弹簧支承体，上述变速部具有两个输入输出轴，在调整后的变速比为n的情况下，若使一侧的输入输出轴以规定摆动角度摆动，则另一侧的输入输出轴以对上述规定摆动角度乘以n的摆动角度摆动，若使上述另一侧的输入输出轴以上述规定摆动角度摆动，则上述一侧的输入输出轴以对上述规定摆动角度乘以1/n的摆动角度摆动。而且，上述一侧的输入输出轴连接于上述第一摆动臂，上述另一侧的输入输出轴连接于上述盘簧的自由端。

根据上述结构，使用适当的变速部，能够向盘簧输入适当的摆动角度。另外，能够将盘簧的施力扭矩适当地传递至第一摆动臂。因此，使用变速部，从而能够自动地调整由摆动运动产生的扭矩。

在上述方式的摆动关节装置中，上述变速部也可以由基于来自上述控制部的控制信号对上述变速比进行调整的变速比调整马达以及具有两个上述输入输出轴并通过上述变速比调整马达调整上述变速比的变速器构成。

根据上述结构，能够通过变速比调整马达与变速器适当地实现变速部。因此，能够适当地实现自动地调整由摆动运动产生的扭矩。

上述方式的摆动关节装置也可以具有基于来自上述控制部的控制信号使上述第一摆动臂绕上述驱动轴摆动的第一驱动部。

根据上述结构，通过第一驱动部使第一摆动臂摆动，因此例如在将摆动关节装置利用为支援用户的步行、行走的脚力支援装置的情况下，能够更加减少用户的步行或者行走时的负荷。

上述方式的摆动关节装置也可以具有：第二摆动臂，其被支承为能够绕上述驱动轴自由摆动；第二角度检测部，其对作为上述第二摆动臂的摆动角度的第二摆动角度进行检测；第二驱动部，其基于来自上述控制部的控制信号，使上述第二摆动臂绕上述驱动轴摆动；以及摆动连杆部件，其连接于上述第一摆动臂与上述第二摆动臂，并基于上述第一摆动臂的上述第一摆动角度与上述第二摆动臂的上述第二摆动角度进行动作。

根据上述结构，例如在将摆动关节装置利用为支援用户的步行、行走的脚力支援装置的情况下，能够通过第一摆动臂支援用户的大腿部的运动，通过第二摆动臂支援用户的小腿部，因此能够进一步减少用户的步行或者行走时的负荷。

附图说明

根据以下参照附图对实施例进行的详细说明可了解本发明的上述以及更多的特点和优点，在附图中，对相同的元素标注相同的附图标记。

图1是对构成第一实施方式的摆动关节装置的各构成要素的简要形状以及组装位置进行说明的分解立体图。

图2是组装图1所示的各构成要素而构成的摆动关节装置的立体图。

图3是对将图2所示的摆动关节装置安装于用户(省略用户的手臂的记载)的状态进行说明的图。

图4是对大腿摆动臂(第一摆动臂)的摆动状态以及小腿臂(第二摆动臂)的摆动的例子进行说明的图。

图5是图1的V部的放大图，且是对盘簧以及表观上弹簧常数可变部的结构进行说明的分解立体图。

图6是从VI方向观察图2的图，且是对同轴状地设置于驱动轴部件的驱动轴的各部件的配置进行说明的图。

图7是从VII方向观察图6的图，且是对相对于大腿摆动臂的第一摆动角度以规定的变速比放大变速器的变速输出轴部件的变速后摆动角度的状态进行说明的图。

图8示出了在大腿摆动臂的摆动角度为零的情况下在盘簧未产生施力扭矩的状态，且是表示弹簧支承体(即，弹簧固定端)的相对于驱动轴的基准位置的立体图。

图9是表示从图8的状态开始使弹簧固定部件旋转规定旋转角度，使弹簧支承体相对于驱动轴的位置从基准位置移动的状态的图。

图10是表示从图9的状态开始大腿摆动臂向前方摆动的情况下的盘簧的自由端与固定端的周围的图。

图11是表示从图9的状态开始大腿摆动臂向后方摆动的情况下的盘簧的自由端与固定端的周围的图。

图12是对控制部的输入输出进行说明的图。

图13是对控制部的处理顺序的例子进行说明的流程图。

图14是对第五实施方式的输送装置的整体结构以及动作的简要进行说明的图。

图15是对第六实施方式的机械手的整体结构以及动作的简要进行说明的主视图。

图16是图15所示的机械手的侧视图。

图17是对构成第七实施方式的摆动关节装置的各构成要素的简要形状以及组装位置进行说明的分解立体图。

图18是组装图17所示的各构成要素而构成的摆动关节装置的立体图。

图19是对将图18所示的摆动关节装置安装于用户(省略用户的手臂的记载)的状态进行说明的图。

图20是对大腿摆动臂(第一摆动臂)的摆动状态以及小腿臂(第二摆动臂)的摆动的例子进行说明的图。

图21是图17的V部的放大图，且是对盘簧以及表观上弹簧常数可变部的结构进行说明的分解立体图。

图22是从VI方向观察图18的图，且是对同轴状地设置于驱动轴部件的驱动轴的各部件的配置进行说明的图。

图23是对构成变速部的电动马达(变速比调整马达)与变速器的例子进行说明的图。

图24是对相对于大腿摆动臂的摆动角度为零的基准位置，在盘簧向顺时针方向输入摆动角度nθf，向逆时针方向输送摆动角度nθr的摆动角度的样子进行说明的图。

图25是对控制部的输入输出进行说明的图。

图26是对控制部的处理顺序的例子进行说明的流程图。

具体实施方式

以下，使用附图对作为用于实施本发明的方式的第一实施方式按顺序进行说明。此外，当在各图中记载X轴、Y轴、Z轴的情况下，X轴、Y轴、Z轴相互正交，在未特别地记载的情况下，Z轴方向表示铅垂向上方向，X轴方向表示相对于用户(安装了摆动关节装置的用户)的前方，Y轴方向表示相对于用户的左方。此外，在本说明书中，图1所示的“大腿摆动臂13”相当于“第一输出部”以及“第一摆动臂”，“小腿摆动臂33”相当于“第二输出部”以及“第二摆动臂”。另外，“旋转角度检测部11S”相当于“第一角度检测部”，“旋转角度检测部31S”相当于“第二角度检测部”。另外，“电动马达11”相当于“第一驱动部”，“电动马达31”相当于“第二驱动部”，“电动马达21”相当于“刚性调整部件”、“刚性调整旋转部件”。另外，在以下的说明中，示出了驱动轴部件6为凸状的部件的例子，但驱动轴部件6可以为凸形状的轴，也可以为对轴进行支承的凹形状(孔形状)。驱动轴部件6也可以对凸形状的轴或者凹形状的部分进行支承。因此，“驱动轴部件6周围”的记载表示与作为驱动轴部件6的中心轴的驱动轴线6J周围相同。此外，“驱动轴线6J”相当于“驱动轴”。另外，变速器25的“轴25A”相当于“弹簧输入轴部件”。另外，“弹簧固定部件23”与“电动马达21”相当于“表观上弹簧常数可变部”。另外，“盘簧24”、“弹簧固定部件23”以及“电动马达21”相当于“刚性可变部”，“刚性”是指使大腿摆动臂13摆动所需的每个单位角度位移的扭矩。另外，“小腿中继臂34”与“小腿臂35”相当于“摆动连杆部件”。另外，“基座部2”相当于“腰侧安装部”。另外，“在第一实施方式～第四实施方式进行说明的摆动关节装置”相当于“步行辅助装置”、“脚力支援装置”。

以下，对第一实施方式的摆动关节装置1的整体结构(图1～图4)进行说明。第一实施方式的摆动关节装置1安装于用户的单个脚(在第一实施方式中为左脚)，来支援用户的步行或者行走等动作。如图1所示，摆动关节装置1由附图标记2、3、4、5、6等所示的用户安装部、附图标记11、12、14、14B、15、13、19等所示的大腿摆动部、附图标记21、22、23、24、25等所示的刚性调整部、以及附图标记31、32、32P、32B、33、34、35、36、39等所示的小腿摆动部构成。此外，图1是表示摆动关节装置1的各构成要素的形状与组装位置等的分解立体图，图2表示组装了各构成要素的状态的摆动关节装置1。另外，图3对将摆动关节装置1安装于用户的状态进行说明，图4示出了大腿摆动臂13以及小腿摆动臂33的摆动的例子。

以下，对由基座部2、腰安装部3、肩带4、控制单元5、驱动轴部件6等构成的用户安装部(图1～图4)进行说明。基座部2固定于腰安装部3，且是成为用于对上述大腿摆动部、上述刚性调整部、上述小腿摆动部进行保持的基座(基板)的部件。另外，在基座部2的相当于安装了摆动关节装置1的用户的股关节的侧方的位置安装有与Y轴大致平行地延伸的驱动轴部件6。此外，驱动轴部件6在插通于后述的小腿摆动臂33的贯通孔33H后，插通于大腿摆动臂13的贯通孔13H。此外，驱动轴线6J示出了驱动轴部件6的中心轴。

腰安装部3是缠绕于用户的腰并固定于用户的腰的部件，构成为能够根据用户的腰周围的尺寸来进行调整。另外，在腰安装部3固定有基座部2，供肩带4的一端与另一端连接。

肩带4的一端连接于腰安装部3的前面侧，另一端连接于腰安装部3的背面侧，构成为能够调节长度，安装有控制单元5。用户对肩带4的长度进行调节并在自己的肩安装肩带4，从而能够在背部如背包(back pack)、背囊(Rucksack)那样背负控制单元5。

控制单元5收容对电动马达11、21、31进行控制的控制部与向该控制部以及电动马达11、21、31供给电力的电池等。此外，控制部使用图12进行后述。

以下，对由电动马达11、托架12、带轮14、带14B、带轮15、大腿摆动臂13、大腿安装部19等构成的大腿摆动部(图1～图4)进行说明。大腿摆动臂13由圆板部13G以及从圆板部13G向下方延伸的臂部构成。而且，在圆板部13G的中心形成有贯通孔13H，在贯通孔13H插通有驱动轴部件6。因此，大腿摆动臂13被支承为能够绕驱动轴部件6自由摆动。另外，大腿摆动臂13的贯通孔13H配置于相当于用户的股关节的侧方的位置，设置于大腿摆动臂13的下端的连杆孔13L配置于相当于用户的膝关节的侧方的位置。此外，向大腿摆动臂13的下方延伸的长度构成为能够调整，用户能够根据自己的膝关节的位置，对连杆孔13L的上下方向的位置进行调整。另外，在大腿摆动臂13安装有大腿安装部19，大腿安装部19紧贴于用户的大腿部(大腿的周围)，从而向用户的大腿部安装大腿摆动臂13变得容易。另外，在圆板部13G固定有带轮15，带轮15与大腿摆动臂13成为一体地摆动。因此，带轮15的带轮轴部件15J以与大腿摆动臂13的摆动角度相同的角度绕驱动轴线6J摆动。而且，在带轮15与后述的带轮14之间挂设有带14B，基于电动马达11的摆动动力经由带轮14以及带14B传递至带轮15，而使大腿摆动臂13摆动。

托架12是用于相对于基座部2固定电动马达11的部件，在托架12设置有用于供电动马达11的旋转轴插通的贯通孔12H，托架12被固定于基座部2。此外，在托架12的贯通孔12H插通有电动马达11的旋转轴，当带轮14安装在被插通的旋转轴后，将托架12固定于基座部2。

电动马达11在前端安装有减速机11D，减速机11D插通于托架12的贯通孔12H并安装于带轮14。另外，电动马达11固定于托架12。另外，从收容于控制单元5的电池以及控制部向电动马达11与驱动信号一起供给电力。然后，电动马达11能够相对于托架12(即基座部2)使大腿摆动臂13绕驱动轴部件6向前后方向摆动(参照图4)。另外，在电动马达11设置有编码器等旋转角度检测部11S。旋转角度检测部11S将与电动马达11的轴的旋转角度对应的信号输出至控制部。然后，控制部能够基于来自旋转角度检测部11S的检测信号、减速机11D的减速比、带轮14与带轮15的带轮比，检测减速机11D的旋转角度，从而能够检测大腿摆动臂13的摆动角度。此外，可以在托架22(参照图1)、基座部2设置有检测大腿摆动臂13相对于基座部2的摆动角度的角度检测部(角度传感器)，也可以在托架22、基座部2设置检测小腿摆动臂33相对于基座部2的摆动角度的角度检测部(角度传感器)。此外，电动马达11是能够空转的马达，在未通电的情况下，若从大腿摆动臂13输入有摆动的力，则减速机11D旋转，从而从旋转角度检测部11S输出与减速机11D的旋转角度对应的信号。

以下，对由电动马达31、托架32、传动部(32P、32B)、小腿摆动臂33、小腿中继臂34、小腿臂35、脚保持部36、小腿安装部39等构成的小腿摆动部(图1～图4)进行说明。小腿摆动臂33形成有供驱动轴部件6插通的贯通孔33H。若将驱动轴部件6插通于贯通孔33H，则小腿摆动臂33被支承为能够绕驱动轴部件6自由摆动。而且，在小腿摆动臂33挂设有带32B，从由电动马达31、带轮32P以及带32B构成的传动部传递动力而使小腿摆动臂33绕驱动轴部件6摆动。

小腿中继臂34的上端以能够自由摆动的方式连接于小腿摆动臂33的前端，下端以能够自由摆动的方式连接于小腿臂35的上端的一侧的平行连杆形成部35M的端部。此外，向小腿中继臂34的下方延伸的长度构成为能够调整，根据大腿摆动臂13的调整后的长度，调节小腿中继臂34的长度。

小腿臂35呈大致倒L字状，在L字的相当于弯曲部的位置形成有用于与大腿摆动臂13的下端的连杆孔13L连接的连杆孔35L。因此，对于小腿臂35而言，上端的一侧的平行连杆形成部35M的一端以能够自由摆动的方式连接于小腿中继臂34的下端，平行连杆形成部35M的另一端以能够自由摆动的方式连接于大腿摆动臂13的下端。另外，在小腿臂35的下端以能够自由摆动的方式连接有脚保持部36的上端。此外，向小腿臂35的下方延伸的长度构成为能够以与用户的小腿一致的方式调整。另外，脚保持部36呈大致L字状，下端部配置于用户的脚掌。另外，在小腿臂35安装有小腿安装部39，小腿安装部39紧贴于用户的小腿(小腿的周围)，从而向用户的小腿部安装小腿臂35变得容易。

托架32是用于相对于基座部2固定电动马达31的部件，固定于基座部2。另外，在托架32形成有贯通孔32H。

电动马达31在前端安装有减速机31D，减速机31D插通于托架32的贯通孔32H。另外，在减速机31D安装有带轮32P，在带轮32P与小腿摆动臂33挂设有带32B。另外，从收容于控制单元5的电池以及控制部向电动马达31与驱动信号一起供给电力。然后，电动马达31能够经由带轮32P与带32B使小腿摆动臂33绕驱动轴部件6沿前后方向摆动(参照图4)。另外，在电动马达31设置有编码器等旋转角度检测部31S。旋转角度检测部31S将与电动马达31的轴的旋转角度对应的信号输出至控制部。然后，控制部能够基于来自旋转角度检测部31S的检测信号、减速机31D的减速比以及带轮比，对小腿摆动臂33的旋转角度进行检测，从而能够对小腿摆动臂33的摆动角度进行检测。此外，电动马达31是能够空转的马达，在未通电的情况下，若从小腿摆动臂33输入有摆动的力，则减速机31D旋转，从而从旋转角度检测部31S输出与减速机31D的旋转角度对应的信号。

接下来，使用图4说明安装了大腿摆动臂13的用户的大腿部UL1的摆动支援与供小腿臂35安装的用户的小腿部UL2的摆动支援的动作。大腿摆动臂13通过电动马达11的动力绕驱动轴部件6进行摆动运动。相同地，小腿摆动臂33通过电动马达31的动力绕驱动轴部件6进行摆动运动。另外，大腿摆动臂13、小腿摆动臂33、小腿中继臂34以及(小腿臂35的)平行连杆形成部35M构成由平行四边形构成的平行连杆。因此，小腿中继臂34与小腿臂35连接于大腿摆动臂13与小腿摆动臂33，相当于基于大腿摆动臂13的摆动角度(图4中的角度θ1)与小腿摆动臂33的摆动角度(图4中的角度θ1-θ2)进行动作的摆动连杆部件。此外，将在图4中由实线表示的大腿摆动臂13、小腿摆动臂33、小腿中继臂34、小腿臂35的位置设为各臂的初始位置(用户在直立状态下静止的位置)。

若使大腿摆动臂13从大腿摆动臂13的初始位置以角度θ1向前方摆动，则如图4所示，能够使用户的大腿部UL1以角度θ1向前方伸出。同时，若使小腿摆动臂33从小腿摆动臂33的初始位置以角度(θ1―θ2)向前方摆动，则如图4所示，能够以相对于大腿摆动臂13具有角度θ2的倾斜的方式使用户的小腿部UL2向前方伸出。能够分别独立地控制基于电动马达11的大腿摆动臂13的摆动运动与基于电动马达31的小腿摆动臂33的摆动运动，因此能够以与用户的所希望的角度一致的方式自由地调整角度θ1、角度θ2。另外，根据该结构，能够通过电动马达11与电动马达31双方的扭矩进行需要较大的扭矩的大腿部的伸出，因此不需要大型的马达。

另外，若使大腿摆动臂13进行摆动运动，则将摆动运动的能量积蓄于盘簧24，而利用于向相反方向的摆动运动。换句话说，将使大腿摆动臂13向前方伸出时的能量积蓄于盘簧24，利用于使大腿摆动臂13向后方伸出时，将使大腿摆动臂13向后方伸出时的能量积蓄于盘簧24，利用于使大腿摆动臂13向前方伸出时。接下来，对包括盘簧24的刚性调整部进行说明。

以下，对由电动马达21、托架22、弹簧固定部件23、盘簧24、变速器25等构成的刚性调整部(图1～图3、图5～图7)进行说明。托架22是相对于基座部2固定电动马达21的部件，在托架22设置有用于供电动马达21的旋转轴插通的贯通孔22H，托架22被固定于基座部2。另外，如图1、图6所示，大腿摆动臂13的圆板部13G的贯通孔13H、带轮15的带轮轴部件15J、变速器25的轴25A、盘簧24的中心轴、弹簧固定部件23的贯通孔23H、托架22的贯通孔22H、电动马达21的减速机21D配置为与驱动轴线6J同轴。

如图5所示，变速器25将固定于大腿摆动臂13的圆板部13G的带轮15的带轮轴部件15J连接于输入部25C，基于预先设定的变速比[n]，将n倍针对输入部25C的输入旋转角度θ的输出旋转角度nθ输出为轴25A的旋转角度。因此，如图7所示，变速器25具有若大腿摆动臂13以第一摆动角度(θf)摆动，则按照被规定的变速比(n)变速的变速后摆动角度(nθf)摆动的轴25A。另外，如图5所示，在轴25A形成有用于固定盘簧24的自由端24B的一侧的向驱动轴线6J方向延伸的槽亦即弹簧自由端插通槽25B。此外，变速器25若通过来自盘簧24的施力扭矩使轴25A旋转旋转角度θb，则使带轮轴部件15J旋转旋转角度θb·(1/n)。

盘簧24绕规定的轴呈螺旋状卷绕有弹簧材料等弹性体，如图5所示，将作为位于卷绕中心部附近的端部的一端设为自由端24B，将作为位于从卷绕的中心部分离的位置的端部的另一端设为固定端24A。此外，在图5中，自由端24B固定于轴25A的弹簧自由端插通槽25B，固定端24A固定于弹簧固定部件23的弹簧支承体23J。

在弹簧固定部件23形成有供电动马达21的前端部的减速机21D插通的贯通孔23H，并被减速机21D支承，通过托架22以及电动马达21固定于基座部2。另外，在弹簧固定部件23的与盘簧24对置的面的从驱动轴线6J分离的位置设置有对盘簧24的固定端24A进行支承的弹簧支承体23J。例如，弹簧支承体23J是沿着驱动轴线6J方向延伸的轴状部件，插通于在盘簧24的固定端24A的位置形成的筒状部。而且，弹簧固定部件23通过电动马达21绕驱动轴线6J旋转，使盘簧24的固定端24A的位置在周向可变。如上，弹簧固定部件23被支承为能够绕驱动轴线6J自由旋转，通过绕驱动轴线6J以规定旋转角度旋转，使弹簧支承体23J相对于驱动轴线6J的位置绕驱动轴线6J向周向移动规定旋转角度。

电动马达21在前端安装有减速机21D。而且，减速机21D插通于托架22的贯通孔22H，从而电动马达21固定于托架22，托架22固定于基座部2。另外，从收容于控制单元5的电池以及控制部向电动马达21与驱动信号一起供给电力。然后，电动马达21使弹簧固定部件23相对于托架22(即基座部2)绕驱动轴线6J旋转，从而能够使盘簧24的固定端24A的位置向周向移动。另外，在电动马达21设置有编码器等旋转角度检测部21S。旋转角度检测部21S将与电动马达21的轴的旋转角度对应的信号输出至控制部。然后，控制部能够基于来自旋转角度检测部21S的检测信号与减速机21D的减速比，对减速机21D的旋转角度进行检测，从而能够检测弹簧固定部件23的旋转角度。此外，也可以在托架22设置检测弹簧固定部件23相对于托架22的旋转角度的角度检测部(角度传感器)。另外，电动马达21是非空转的马达，即便在未通电的情况下减速机21D的旋转角度位置也被维持，从而即便在盘簧24产生施力扭矩的情况下，也能够维持固定端24A的位置。

以下，对盘簧24的固定端24A的位置与偏置角度θs(图8～图11)进行说明。图8示出了图3所示的用户T(使用者)为直立状态，大腿摆动臂13的摆动角度为零的情况下的例子，亦即盘簧24的施力扭矩为零的情况下的例子。而且，在图8的例子的盘簧24的固定端24A的位置，示出了在自由端24B既未产生绕驱动轴线6J的顺时针方向的施力扭矩，又未产生绕驱动轴线6J的“逆”时针方向的施力扭矩的状态的例子。而且，图8所示的基准线J1是在大腿摆动臂13的摆动角度为零时，且在以不在自由端24B产生施力扭矩的方式对固定端24A的位置进行调整的情况(对弹簧固定部件23的旋转角度进行调整的情况)下，通过驱动轴线6J与弹簧自由端插通槽25B的假想直线，且示出了轴25A的基准旋转角度位置。另外，将该图8的例子所示的固定端24A(弹簧支承体23J)的位置设为盘簧24的固定端24A(弹簧支承体23J)的基准位置。

另外，图9示出了从图8所示的状态开始驱动电动马达21，将盘簧24的固定端24A的位置从上述的基准位置变更成向顺时针方向且向周向移动旋转角度(θs)的位置的状态。将该状态设为“对盘簧24施加顺时针方向的偏置角度θs的状态”。在该状态下，即便在用户T为直立的状态且大腿摆动臂13的摆动角度为零，也通过顺时针方向的偏置角度θs在轴25A作用盘簧24的施力扭矩，从轴25A经由变速器25与带轮15在大腿摆动臂13作用有施力扭矩。

另外，图10示出了在施加了图9所示的“顺时针方向的偏置角度θs”的状态下，使大腿摆动臂13向顺时针方向以摆动角度θf摆动的情况下的例子。在变速器25的变速比为“n”的情况下，若大腿摆动臂13向顺时针方向以摆动角度θf摆动，则变速器25的轴25A向顺时针方向以摆动角度nθf摆动。即，在图10所示的例子中，在盘簧24产生与从摆动角度nθf减去偏置角度θs的角度(nθf-θs)对应的“逆”时针方向的施力扭矩。

另外，图11示出了在施加了图9所示的“顺时针方向的偏置角度θs”的状态下，使大腿摆动臂13向“逆”时针方向以摆动角度θr摆动的情况下的例子。在变速器25的变速比为“n”的情况下，若大腿摆动臂13向“逆”时针方向以摆动角度θr摆动，则变速器25的轴25A向“逆”时针方向以摆动角度nθr摆动。即，在图11所示的例子中，在盘簧24产生同将摆动角度nθr与偏置角度θs相加的角度(nθr+θs)对应的顺时针方向的施力扭矩。由以上说明的变速器25(也可以省略变速器25)、盘簧24、弹簧固定部件23、电动马达21(刚性调整部件)构成从大腿摆动臂13观察的表观上弹簧常数可变部。而且，该表观上弹簧常数可变部使绕驱动轴线6J的刚性可变。如上，“刚性”是指使大腿摆动臂13摆动所需的每个单位角度位移的扭矩，从大腿摆动臂13观察的盘簧24的表观上的弹簧常数与该扭矩相关。因此，“从大腿摆动臂13观察的弹性体(盘簧)的表观上的刚性”包括“从大腿摆动臂13观察的盘簧24的表观上的弹簧常数”。弹簧常数形成刚性的一种。而且，使弹性体的刚性可变，最佳地保存能量，从而能够最佳地释放保存的能量。另外，“使从大腿摆动臂13观察的弹性体的表观上的刚性可变的表观上刚性可变部”包括“使从大腿摆动臂13观察的盘簧24的表观上的弹簧常数可变的表观上弹簧常数可变部”。

接下来，使用图12对控制部50的输入输出进行说明。在控制单元5收容有控制部50以及电池60。另外，控制单元5设置有起动开关54、作为输入输出部的触摸面板55、向电池60充电的充电用连接器61等。另外，控制部50(控制装置)具有CPU50A、马达驱动器51、52、53等。此外，也具备用于执行控制部50的处理的程序、存储各种计测结果等的存储装置，但省略图示。

如后所述，控制部50求得用于使大腿摆动臂13进行摆动运动的目标摆动周期、目标摆动角度，经由马达驱动器51将驱动信号输出至电动马达11。电动马达11基于来自控制部50的驱动信号使减速机11D摆动，经由带轮14、带14B以及带轮15，使大腿摆动臂13在规定周期内以规定角度进行摆动运动。另外，电动马达11的轴的旋转速度、旋转量被旋转角度检测部11S检测，检测信号输入马达驱动器51，并且经由马达驱动器51输入CPU50A。CPU50A以基于来自旋转角度检测部11S的检测信号的大腿摆动臂13的实际的摆动周期与实际的摆动角度接近目标摆动周期以及目标摆动角度的方式进行反馈控制。

另外，如后所述，控制部50求得作为从大腿摆动臂13观察的盘簧24的表观上弹簧常数成为最佳的值的弹簧固定部件23的旋转角度的目标刚性调整角度，经由马达驱动器52将驱动信号输出至电动马达21。电动马达21基于来自控制部50的驱动信号，经由减速机21D使弹簧固定部件23旋转。另外，电动马达21的轴的旋转速度、旋转量被旋转角度检测部21S检测，检测信号输入马达驱动器52，并且经由马达驱动器52输入CPU50A。CPU50A以基于来自旋转角度检测部21S的检测信号的实际的弹簧固定部件23的旋转角度接近目标刚性调整角度的方式进行反馈控制。

如后所述，控制部50求得用于使小腿摆动臂33进行摆动运动的目标摆动周期、目标摆动角度，经由马达驱动器53将驱动信号输出至电动马达31。电动马达31基于来自控制部50的驱动信号，经由减速机31D、带轮32P以及带32B使小腿摆动臂33在规定周期内以规定角度进行摆动运动。另外，电动马达31的轴的旋转速度、旋转量被旋转角度检测部31S检测，检测信号输入马达驱动器53，并且经由马达驱动器53输入CPU50A。CPU50A以基于来自旋转角度检测部31S的检测信号的小腿摆动臂33的实际的摆动周期与实际的摆动角度接近目标摆动周期以及目标摆动角度的方式进行反馈控制。

起动开关54是用于起动控制部50的开关。另外，触摸面板55是进行用户的身高、体重等的输入、设定状态的显示等的装置。另外，充电用连接器61是在对电池60进行充电时，供充电用电缆连接的连接器。

接下来，使用图13所示的流程图对控制部50的处理顺序进行说明。若用户对控制单元的起动按钮进行操作(步骤S10)，则控制部进入步骤S15。

在步骤S15中，控制部具有来自触摸面板的用户的初始设定输入。若确认来自用户的身高与体重的输入，则控制部进入步骤S20。此外，控制部在即使经过规定时间也未确认来自用户的输入的情况下，例如，设定预先设定的标准身高与标准体重，进入步骤S20。

在步骤S20中，控制部在规定期间的期间，未对电动马达11、21、31通电，而对用户的步行状态(或者行走状态)进行计测，与计测时间对应地将来自旋转角度检测部11S、31S的检测信号作为计测数据存储于存储装置。电动马达11、31的轴形成在非通电时空转的结构。此外，电动马达21的轴形成在非通电时不空转而锁定的结构，基于电动马达21的弹簧固定部件23的旋转角度调整为在大腿摆动臂13的摆动角度为零时，成为不在盘簧24产生施力扭矩的旋转角度。而且，控制部例如在规定步数或者规定时间的期间收集计测数据后进入步骤S25。

在步骤S25中，控制部根据基于来自旋转角度检测部11S的检测信号的计测数据，并根据大腿摆动臂的摆动角度(摆动振幅)、大腿摆动臂的角速度以及角加速度对步行周期(摆动周期)进行计算。另外，相同地，控制部根据基于来自旋转角度检测部31S的检测信号的计测数据，并根据小腿摆动臂的摆动角度(摆动振幅)、小腿摆动臂的角速度以及角加速度对步行周期(摆动周期)进行计算。然后，控制部进入步骤S30。

在步骤S30中，控制部基于在步骤S25中计算出的大腿摆动臂的摆动角度、大腿摆动臂的摆动周期、在步骤S15中输入的用户的身高以及体重等，对作为最佳关节刚性的目标刚性调整角度进行计算，进入步骤S35。此外，对目标刚性调整角度的具体的计算方法后述。

在步骤S35中，控制部对电动马达21进行控制，将弹簧固定部件23的偏置角度设定成在步骤S30中求得的目标刚性调整角度，进入步骤S40。

在步骤S40中，控制部基于在步骤S25中计算出的大腿摆动臂的摆动角度、大腿摆动臂的摆动周期、小腿摆动臂的摆动角度、小腿摆动臂的摆动周期、电池的输出电压等，对用户的大腿部的辅助图案(向电动马达11输出的驱动信号的输出图案等)与用户的小腿部的辅助图案(向电动马达31输出的驱动信号的输出图案)进行计算，进入步骤S45。

在步骤S45中，控制部基于在步骤S40中计算出的辅助图案，开始向电动马达11以及电动马达31输出驱动信号，使大腿摆动臂13以及小腿摆动臂33进行摆动运动，以继续用户的步行动作(或者行走动作)的方式支援用户的步行动作(或者行走动作)，进入步骤S50。此外，向电动马达11以及电动马达31输出驱动信号的动作在移至其他步骤时也被继续。

在步骤S50中，控制部使电动马达11以及电动马达31动作支援用户的步行(或者行走)的动作，并且在步骤S20中，以计测的方式与计测时间对应地将来自旋转角度检测部11S、31S的检测信号作为计测数据存储于存储装置，进入步骤S55。此外，计测数据的收集在移至其他的步骤的情况下也被继续。

在步骤S55中，控制部基于在步骤S50中收集的计测数据，对用户是否希望停止步行动作(或者行走动作)的支援进行判定，在判定为希望停止支援的情况下(是)，使向电动马达11以及电动马达31输出驱动信号停止而结束处理，在判定为不希望停止支援的情况下(否)返回步骤S25。

以下，对目标刚性调整角度的计算方法(图10)(相对于大腿摆动臂13的顺时针方向的摆动角度θf的目标刚性调整角度)进行说明。首先，使用图10对在图13所示的流程图的步骤S30中进行的目标刚性调整角度的计算顺序进行说明。在图10中，示出了顺时针方向的偏置角度为θs(“逆”时针方向的偏置角度为-θs)，大腿摆动臂13向顺时针方向以摆动角度θf摆动的情况下的例子，且示出了变速器25的轴25A的顺时针方向的摆动角度为nθf的情况下的例子(即，变速器25的变速比为n)。另外，若将变速器25的效率设为η、将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数设为k1、将从弹簧固定部件23的一侧观察的盘簧24的弹簧常数设为k(盘簧24的本来的弹簧常数)、将通过大腿摆动臂13的摆动而产生的扭矩设为τ，则以下的式1成立。

τ＝k1·θf＝η·n·k(nθf-θs)…式1

若整理上述的式(1)，则能够在以下的式2中，求得从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k1。另外，整理式2，能够获得式3。

k1＝η·n²·k[1-θs/(n·θf)]…式2

θs＝n·θf[1-k1/(η·n²·k)]…式3

根据以上的式2可知，例如，在欲将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k1设为零的情况下，只要偏置角度θs＝n·θf即可。另外，例如在将偏置角度θs设为零的情况下，根据式2可知，从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k1成为k1＝η·n²·k。另外，例如在从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数欲形成k1＝2·η·n²·k的情况下，只要θs＝-n·θf即可(相对于图10的例子，只要使弹簧固定部件23相对于基准线J1向“逆”时针方向旋转n·θf的状态即可)。

此处，若将用户的步行频率(大腿摆动臂的摆动频率)设为f、将该情况下的角频率(角速度)设为ω，则以下的式4成立。步行频率f能够根据计测出的用户的步行(或者行走)的周期求得。因此，能够求得下述的式4的ω的值。

ω＝2·π·f…式4

另外，如上述那样，将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数设为k1。另外，将包括用户的下肢与大腿摆动臂13等的摆动对象物的绕驱动轴线6J的惯性力矩设为I。例如，惯性力矩I能够根据绕驱动轴线6J摆动的各部件的合计质量(已知)、该合计质量的重心的位置(距驱动轴线6J的距离，已知)、根据用户的体重以及身高推断的下肢的质量与重心的位置(距驱动轴线6J的距离，已知)求得，从而以下的式5、式6成立。根据上述，明确ω的值，从而也明确惯性力矩I，因此根据下述的式6，能够求得从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上弹簧常数k1。

k1＝I·ω²…式6

另外，大腿摆动臂13的运动方程式(视为重力的影响充分小的情况)，通常，若将关节轴(驱动轴线6J)周围的粘性系数设为ρ，则如以下的式7那样表示。此外，在式7中，使用上述的τ、I、k1，将摆动角度设为θ。

大腿部的摆动视为大致正弦波，因此若形成θ＝A·sinωt并代入上述的式7，则能够获得以下的式7A。

τ＝-A·I·ω²·sinωt+A·ρ·ω·cosωt+A·k1·sinωt

＝A(k1-I·ω²)·sinωt+A·ρ·ω·cosωt

…式7A

在上述的式7A中，在k1＝I·ω²，即共振状态成立时，能够将τ形成最小。因此，成为扭矩与角度位移的积的能量也能够形成最小化。

在图10的例子中，在使大腿摆动臂13向顺时针方向以摆动角度θf摆动时，将电动马达11的功率消耗形成最小的偏置角度θs为目标刚性调整角度，根据上述的式7与式2求得的偏置角度θs为目标刚性调整角度。另外，根据上述的式6与式2，能够求得与角频率ω和惯性力矩I对应的偏置角度θs(使盘簧的共振频率与摆动对象物的摆动频率一致的偏置角度θs)。

以下，对目标刚性调整角度的计算方法(图11)(相对于大腿摆动臂13的“逆”时针方向的摆动角度θr的目标刚性调整角度)进行说明。换言之，使用图11对在图13所示的流程图的步骤S30中进行的目标刚性调整角度的计算顺序进行说明。在图11中，示出了顺时针方向的偏置角度为θs(“逆”时针方向的偏置角度为-θs)，大腿摆动臂13向“逆”时针方向以摆动角度θr摆动的情况下的例子，且示出了变速器25的轴25A的“逆”时针方向的摆动角度为nθr的情况下的例子(即，变速器25的变速比为“n”)。另外，若将变速器25的效率设为η、将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数设为k2、将从弹簧固定部件23的一侧观察的盘簧24的弹簧常数设为k、将通过大腿摆动臂13的摆动产生的扭矩设为τ，则以下的式8成立。

τ＝k2·θr＝η·n·k(nθf+θs)…式8

若整理上述的式8，则根据以下的式9，能够求得从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k2。另外，整理式9，能够获得式10。

k2＝η·n²·k[1+θs/(n·θr)]…式9

θs＝-n·θr[1-k2/(η·n²·k)]…式10

根据以上的式9可知，例如，在欲将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k2设为零的情况下，只要偏置角度θs＝-n·θr即可。另外，例如，在将偏置角度θs设为零的情况下，根据式9可知，从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k2成为k2＝η·n²·k。另外，例如在欲形成从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k2＝2·η·n²·k的情况下，只要θs＝n·θr即可(相对于图11的例子，只要使弹簧固定部件23相对于基准线J1向顺时针方向旋转n·θr的状态即可)。

此处，若将用户的步行频率(大腿摆动臂的摆动频率)设为f、将该情况下的角频率(角速度)设为ω，则上述的式4成立。另外，如上述那样，在将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数设为k2，将包括用户的下肢与大腿摆动臂13等的摆动对象物的绕驱动轴线6J的惯性力矩与上述相同地设为I的情况下，以下的式11、式12成立。根据上述，明确ω的值，从而也明确惯性力矩I，因此根据下述的式12，能够求得从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上弹簧常数k2。

k2＝I·ω²…式12

另外，对于大腿摆动臂13的运动方程式，若将关节轴(驱动轴线6J)周围的粘性系数设为ρ，通常如以下的式13那样表示。此外，在式13中，使用上述的τ、I、k2，将摆动角度设为θ。

大腿部的摆动视为大致正弦波，因此若形成θ＝A·sinωt并代入上述的式13，则能够获得以下的式13A。

τ＝-A·I·ω²·sinωt+A·ρ·ω·cosωt+A·k2·sinωt＝A(k2-I·ω²)·sinωt+A·ρ·ω·cosωt

…式13A

在上述的式13A中，在k2＝I·ω²，即共振状态成立时，能够将τ形成最小。因此，成为扭矩与角度位移的积的能量也能够形成最小化。

在图11的例子中，在使大腿摆动臂13向“逆”时针方向以摆动角度θr摆动时，将电动马达11的功率消耗形成最小的偏置角度θs为目标刚性调整角度，根据上述的式13与式9求得的偏置角度θs为目标刚性调整角度。另外，根据上述的式12与式9，能够求得同角频率ω与惯性力矩I对应的偏置角度θs(使盘簧的共振频率与摆动对象物的摆动频率一致的偏置角度θs)。

以上，如使用图10以及图11说明的那样，使用控制部50，基于大腿摆动臂13的绕驱动轴部件6的摆动频率f、包括大腿摆动臂13的摆动对象物(包括用户的下肢与大腿摆动臂13，绕驱动轴线6J摆动的全部的物体)的绕驱动轴部件6的惯性力矩I、盘簧24的弹簧常数k、盘簧24的偏置角度θs、大腿摆动臂13的顺时针方向的摆动角度θf或者大腿摆动臂13的“逆”时针方向的摆动角度θr，以盘簧24的共振角频率ω与摆动对象物的摆动的频率一致的方式对刚性调整角度(顺时针方向的偏置角度θs)进行调整。

如上，以盘簧24的共振角频率ω同包括大腿摆动臂13的摆动对象物(绕驱动轴部件6摆动的物体整体)的摆动的频率一致的方式设定刚性调整角度(顺时针方向的偏置角度θs)，从而能够将在电动马达11中消耗的功率形成最小。此外，也可以不根据上述的式求得刚性调整角度，反复在将刚性调整角度变更微小角度而对该刚性调整角度的规定周期部分的电动马达11的功率消耗进行计测后，再次将刚性调整角度变更微小角度并对规定周期部分的电动马达11的功率消耗进行计测，求得功率消耗最少的刚性调整角度。另外，设置变速器25对大腿摆动臂13的摆动角度进行放大，向盘簧24输入放大的摆动角度，从而能够使用弹簧常数比较小的小型的盘簧。另外，电动马达21也能够使用更小的扭矩的小型的电动马达。

以上说明的第一实施方式的摆动关节装置1为用户的左脚用，但也可以追加右脚用的基座部(基座部2的左右对称版)、右脚用的大腿摆动部(由附图标记11、12、14、14B、15、13、19等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的刚性调整部(由附图标记21、22、23、24、25等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的小腿摆动部(由附图标记31、32、32P、32B、33、34、35、36、39等表示的各部件的左右对称版)，根据控制单元5支援用户的两脚的步行动作(或者行走动作)。

以下，对第二实施方式的摆动关节装置进行说明。第二实施方式的摆动关节装置从图1～图4所示的第一实施方式的摆动关节装置1省略电动马达11(以及旋转角度检测部11S)、托架12、带轮14、带14B，而追加能够对大腿摆动臂13的摆动角度进行检测的旋转角度检测部。在该第二实施方式中，虽无法通过电动马达支援用户步行(或者行走)时大腿部的运动，但能够通过电动马达31支援小腿部的运动。另外，具有由附图标记21、22、23、24、25等表示的刚性调整部，因此以始终成为共振状态的方式将刚性调整角度(顺时针方向的偏置角度θs)形成适当的角度，从而能够适当地减少用户大腿部的运动量。

另外，与第一实施方式相同地，也可以追加右脚用的基座部(基座部2的左右对称版)、右脚用的大腿摆动部(由附图标记13、19等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的刚性调整部(由附图标记21、22、23、24、25等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的小腿摆动部(由附图标记31、32、32P、32B、33、34、35、36、39等表示的各部件的左右对称版)，根据控制单元5支援用户两脚的步行动作(或行走动作)。

以下，对第三实施方式的摆动关节装置进行说明。第三实施方式的摆动关节装置从图1～图4所示的第一实施方式的摆动关节装置1省略电动马达31、托架32、带轮32P、带32B、小腿摆动臂33、小腿中继臂34、小腿臂35、脚保持部36、小腿安装部39。在该第三实施方式中，通过电动马达11支援用户的步行(或者行走)的大腿部的运动，未支援小腿部的运动。此外，具有由附图标记21、22、23、24、25等表示的刚性调整部，因此以始终成为共振状态的方式将刚性调整角度(顺时针方向的偏置角度θs)形成适当的角度，从而能够更加减少电动马达11的功率消耗。

另外，与第一实施方式相同地，也可以追加右脚用的基座部(基座部2的左右对称版)、右脚用的大腿摆动部(由附图标记11、12、14、14B、15、13、19等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的刚性调整部(由附图标记21、22、23、24、25等表示的各部件的左右对称版)，根据控制单元5支援用户的两脚的步行动作(或者行走动作)。

以下，对第四实施方式的摆动关节装置进行说明。第四实施方式的摆动关节装置从第三实施方式的摆动关节装置省略电动马达11(以及旋转角度检测部11S)、托架12、带轮14、带14B，而追加能够检测大腿摆动臂13的摆动角度的旋转角度检测部。在该第四实施方式中，无法支援用户步行(或者行走)时小腿部的运动。另外，也无法通过电动马达支援用户大腿部的运动。但是，具有由附图标记21、22、23、24、25等表示的刚性调整部，因此以始终成为共振状态的方式将刚性调整角度(顺时针方向的偏置角度θs)形成适当的角度，从而能够适当地减少用户的大腿部的运动量。

另外，与第一实施方式相同地，也可以追加右脚用的基座部(基座部2的左右对称版)、右脚用的大腿摆动部(由附图标记13、19等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的刚性调整部(由表示附图标记21、22、23、24、25等表示的各部件的左右对称版)，根据控制单元5支援用户的两脚的步行动作(或者行走动作)。

以下，对第五实施方式(在具有往复直线运动体的输送装置70应用表观上刚性可变部的例子(图14))进行说明。在接下来说明的第五实施方式中，对具有上述说明的摆动关节装置的一部分(至少包括表观上刚性可变部)的输送装置70的例子进行说明。此外，在图14中示出了Y轴方向为铅垂向上方向。

以下，对输送装置70的整体结构(图14)进行说明。图14所示的输送装置70具有：臂71、小齿轮71B、减速机72(变速器)、从动带轮73C、带73B、驱动带轮73A、上下驱动用促动器74M、旋转角度检测部74E、盘簧24、弹簧固定部件23、电动马达21、旋转角度检测部21S、支承体78、滑动驱动体79A、控制部50B等。此外，上下驱动用促动器74M相当于小齿轮驱动部。另外，电动马达21是可变刚性用促动器，相当于刚性调整部件。图14的例子所示的输送装置70在引导部件79B上(向左右)进行往复运动，并且使臂71上下往复直线运动，对输送机C1上的工件W进行把持，使把持的工件W在输送机C2上移动。此外，盘簧24、弹簧固定部件23、电动马达21、旋转角度检测部21S与图5所示的情况相同。

支承体78支承为小齿轮71B、小齿轮侧轴72A、减速机72、带轮侧轴72B、从动带轮73C、弹簧侧轴73C1、盘簧24、弹簧固定部件23、电动马达21分别成为同轴。另外，支承体78以臂71能够上下进行往复直线运动的方式对臂71进行引导。另外，在支承体78设置有能够沿着引导部件79B(左右)进行往复运动的滑动驱动体79A。控制部50B对来自滑动驱动体79A的位置检测信号进行检测并且向滑动驱动体79A输出控制信号，从而能够使输送装置70沿着引导部件79B进行往复运动。

臂71是具有与小齿轮71B啮合的齿条部71A，且上下延伸的部件，在下端部具有把持与释放工件W的把持部71C。臂71与小齿轮71B的旋转对应地被支承体78引导而向上方或者下方进行往复直线运动。此外，臂71的把持部71C与来自控制部50B的控制信号对应地把持或者释放工件W。

减速机72将从带轮侧轴72B输入的旋转减速为1/n倍并将其输出至小齿轮侧轴72A(将从小齿轮侧轴72A输入的旋转放大n倍并将其输出至带轮侧轴72B)。

在从动带轮73C连接有带轮侧轴72B与弹簧侧轴73C1，经由驱动带轮73A以及带73B传递上下驱动用促动器74M的旋转动力。控制部50B对来自旋转角度检测部74E的检测信号进行检测并且向上下驱动用促动器74M输出控制信号。此外，弹簧侧轴73C1连接于作为盘簧24的一端的自由端(相当于图5的自由端24B)。

通过以上的结构，盘簧24在上下驱动用促动器74M驱动小齿轮71B使之旋转时，向直径变小的一侧(或者直径增大的一侧)卷绕而积蓄能量。此时，通过上下驱动用促动器74M驱动从动带轮73C使之旋转，从动带轮73C经由减速机72与小齿轮71B使臂71向上方(或者下方)运动。另外，盘簧24在释放积蓄的能量时，从缩径(或者扩径)的状态复原并且驱动小齿轮71B使之旋转。此时，通过盘簧24驱动从动带轮73C使之旋转，从动带轮73C经由减速机72与小齿轮71B使臂71向下方(或者上方)运动。

作为盘簧24的一端的自由端如上所述，相当于图5的自由端24B，并连接于弹簧侧轴73C1。另外，作为盘簧24的另一端的固定端相当于图5的固定端24A，并被弹簧固定部件23的弹簧支承体23J支承。

弹簧固定部件23与图5所示的弹簧固定部件23相同，具有弹簧支承体23J，并通过电动马达21旋转。而且，控制部50B对来自旋转角度检测部21S的检测信号进行检测并且向电动马达21输出控制信号。

如以上说明的那样，输送装置70具有摆动关节装置的以下的各部。小齿轮侧轴72A相当于摆动关节装置的驱动轴部件。另外，进行往复旋转动作的小齿轮71B相当于摆动关节装置的第一输出部，小齿轮71B的往复旋转角度相当于摆动关节装置的第一摆动角度。另外，旋转角度检测部74E相当于摆动关节装置的第一角度检测部。另外，盘簧24相当于摆动关节装置的弹性体。另外，(从小齿轮71B观察的)盘簧24的表观上的弹簧常数相当于摆动关节装置的(从第一输出部观察的)表观上的刚性。另外，由弹簧固定部件23与电动马达21构成的(从小齿轮71B观察的)表观上弹簧常数可变部相当于摆动关节装置的表观上刚性可变部。

以下，对与小齿轮71B的旋转角度θ对应的目标刚性调整角度(弹簧固定部件23的旋转角度)的计算方法进行说明。此处，若将臂71的上下方向的推力设为F、将臂71的质量设为m(能够忽略工件W的质量)、将臂71的上下运动的粘性系数设为d、将Y轴方向的刚性设为k_L、将臂71的下端位置的Y轴坐标设为y、将臂71的上端位置的Y坐标设为y₀，将重力加速度设为g，则下述的式14所示的运动方程式成立。

在该情况下，系统的能量的总和E能够由以下的式15表示。

此处，将式15的能量的总和E形成最小化的条件如以下的式16所示那样，根据式16，能够获得以下的式17、式18、式19。

若如上述的式19那样对刚性k_L进行控制，则能够将能量的总和E形成最小化。但是，在y-y₀(相当于小齿轮71B的旋转角度θ)接近0(零)时，刚性k_L成为正(或者负)的无限大，因此在其附近，将k_L固定为上限(盘簧24的弹簧常数的物理的上限(通常设定))。

此处，在臂71的上下运动以y₀为中心呈大致正弦波状振动并如下述的式20那样表示的情况下，如下述的式21那样进行控制。

Y≈y₀+Asinωt…式20

k_L＝m[(Aω²sinωt-g)/(Asinωt)]＝m[ω²-g/(Asinωt)]

…式21

另外，对于垂直方向位移y与旋转位移θ(小齿轮71B的旋转角度)的关系，若将小齿轮的节圆半径设为r，则能够通过以下的式22表示。此外，θ₀为位移前的角度，y₀为位移前的位置。

r(θ-θ₀)＝y-y₀…式22

另外，若考虑减速机72的输出被齿条小齿轮转换成直动方向的推力f，则以下的式23成立，从而根据式23与式22，能够获得式24。

f＝k_L(y-y₀)…式23

f＝k_Lr(θ-θ₀)…式24

此处，若将通过盘簧24在小齿轮71B产生的扭矩设为τ、将旋转方向的表观上的刚性设为k_R、将盘簧24带来的扭矩设为τ₁、将减速机72的减速比设为n、将减速机72的效率设为η_R，则以下的式25成立。另外，在减速机72的带轮侧轴72B产生的扭矩τ₁在将盘簧本来的弹簧常数设为k的情况下，成为以下的式26。

τ＝k_R(θ-θ₀)＝ηRnτ₁…式25

τ₁＝kn(θ-θ₀)…式26

根据上述的式25与式26，能够获得以下的式27。

τ＝η_Rn²k(θ-θ₀)…式27

此处，相对于上述的式26，若考虑使盘簧24的固定端24A旋转θ₁(给予图9中的偏置角度θs(相当于θ₁))，则能够获得以下的式28。

τ₁＝k[n(θ-θ₀)-θ₁]…式28

根据上述的式25与式28，能够获得以下的式29。

τ＝η_Rnk[n(θ-θ₀)-θ₁]

＝η_Rn²k{1-θ₁/[n(θ-θ₀)]}(θ-θ₀)…式29

根据上述的式29与式25，能够获得以下的式30，若针对k_R整理该式30，则能够获得式31。

η_Rn²k{1-θ₁/[n(θ-θ₀)]}(θ-θ₀)＝k_R(θ-θ₀)…式30

k_R＝η_Rn²k{1-θ₁/[n(θ-θ₀)]}…式31

此处，将齿条小齿轮机构的效率设为η_L，若考虑直动部的作功与转动部的作功相等，则能够获得以下的式32，根据式32与式22，能够获得以下的式33。

f(y-y₀)＝η_Lτ(θ-θ₀)…式32

fr(θ-θ₀)＝η_Lτ(θ-θ₀)…式33

根据上述的式24与式33，能够获得以下的式34。

k_Lr²(θ-θ₀)²＝η_Lτ(θ-θ₀)…式34

根据上述的式34与式29，能够获得以下的式35，若针对k_L整理式35，则能够获得式36。另外，若针对θ₁整理式35，则能够获得式37。因此，只要相对于必要的k_L，如式37那样控制θ₁即可。

k_Lr²(θ-θ₀)²＝η_Lη_Rn²k{1-θ₁/[n(θ-θ₀)]}(θ-θ₀)²

…式35

k_L＝η_Lη_Rn²k{1-θ₁/[n(θ-θ₀)]}1/r²…式36

θ₁＝[1-k_Lr²/(η_Lη_Rn²k)]n(θ-θ₀)…式37

以上，将盘簧24的固定端24A的位置的角度θ₁(相当于图9所示的偏置角度θ_s)调整为相对于小齿轮71B的旋转位移θ实时地满足式37，从而能够使上下驱动用促动器74M的消耗能量形成最小化。

以下，对第六实施方式(在具有摆动运动体的机械手90应用表观上刚性可变部的例子(图15、图16))以及机械手90的整体结构(图15、图16)进行说明。使用图15以及图16对在摆动运动体(与第二摆动部95以及第二旋转部94一体化的第一摆动部93)应用上述的表观上刚性可变部的例子进行说明。图15以及图16所示的机械手90具有：基座部91、第一旋转部92、第一摆动部93、第二旋转部94、第二摆动部95、控制部50C等。

在基座部91设置有具有旋转角度检测部91E的电动马达91M，电动马达91M使第一旋转部92相对于基座部91旋转。另外，在第一旋转部92设置有具备电动马达84M(相当于摆动部驱动部)的刚性可变式摆动装置80G，电动马达84M具有旋转角度检测部84E，刚性可变式摆动装置80G使第一摆动部93相对于第一旋转部92摆动。此外，对刚性可变式摆动装置80G的详细后述。另外，在第一摆动部93设置有具有旋转角度检测部93E的电动马达93M，电动马达93M使第二旋转部94相对于第一摆动部93旋转。另外，在第二旋转部94设置有具有旋转角度检测部94E的电动马达94M，电动马达94M使第二摆动部95相对于第二旋转部94摆动。控制部50C边检测来自旋转角度检测部91E的检测信号边向电动马达91M输出控制信号，边检测来自旋转角度检测部84E的检测信号边向电动马达84M输出控制信号。另外，控制部50C边检测来自旋转角度检测部93E的检测信号边向电动马达93M输出控制信号，边检测来自旋转角度检测部94E的检测信号边向电动马达94M输出控制信号。

刚性可变式摆动装置80G具有：摆动体侧轴82A、减速机82、带轮侧轴82B、从动带轮83C、带83B、驱动带轮83A、电动马达84M、旋转角度检测部84E、弹簧侧轴83C1、盘簧24、弹簧固定部件23、电动马达21(为可变刚性用促动器，相当于刚性调整部件)以及旋转角度检测部21S，并设置于第一旋转部92。图15以及图16所示的机械手90从第一摆动部93起使上面(第一摆动部93、第二旋转部94、第二摆动部95)进行摆动运动。此外，盘簧24、弹簧固定部件23、电动马达21、旋转角度检测部21S与图5所示的情况相同。此外，将从第一摆动部93起的上面变成具有规定的振幅周期性地摆动的部分。

作为刚性可变式摆动装置80G的支承体的第一旋转部92支承为摆动体侧轴82A、减速机82、带轮侧轴82B、从动带轮83C、弹簧侧轴83C1、盘簧24、弹簧固定部件23、电动马达21分别成为同轴。此外，减速机82、带轮侧轴82B、从动带轮83C、带83B、驱动带轮83A、电动马达84M、弹簧侧轴83C1、盘簧24、弹簧固定部件23、电动马达21与图14所示的减速机72、带轮侧轴72B、从动带轮73C、带73B、驱动带轮73A、上下驱动用促动器74M、弹簧侧轴73C1、盘簧24、弹簧固定部件23、电动马达21相同，因此省略说明。减速机82将从带轮侧轴82B输入的旋转减速为1/n倍，并将其输出至摆动体侧轴82A(将从摆动体侧轴82A输入的旋转放大n倍并将其输出至带轮侧轴82B)。

通过以上的结构，盘簧24在电动马达84M驱动从动带轮83C使之旋转时，向直径变小的一侧(或者直径增大的一侧)卷绕而积蓄能量。此时，被电动马达84M旋转驱动的从动带轮83C经由减速机82与摆动体侧轴82A使第一摆动部93进行摆动运动。另外，盘簧24在释放积蓄的能量时，边从被缩径(或者扩径)的状态复原边驱动从动带轮83C使之旋转。此时，被盘簧24旋转驱动的从动带轮83C经由减速机82与摆动体侧轴82A使第一摆动部93进行摆动运动。

如以上说明的那样，机械手90具有摆动关节装置的以下的各部。摆动体侧轴82A相当于摆动关节装置的驱动轴部件。另外，摆动的第一摆动部93相当于摆动关节装置的第一输出部，第一摆动部93的摆动角度θ相当于摆动关节装置的第一摆动角度。另外，旋转角度检测部84E相当于摆动关节装置的第一角度检测部。另外，盘簧24相当于摆动关节装置的弹性体。另外，(从第一摆动部93观察的)盘簧24的表观上的弹簧常数相当于摆动关节装置的(从第一输出部观察的)表观上的刚性。另外，由弹簧固定部件23与电动马达21构成的(从第一摆动部93观察的)表观上弹簧常数可变部相当于摆动关节装置的表观上刚性可变部。

以下，对与第一摆动部93的摆动角度θ对应的目标刚性调整角度(弹簧固定部件23的旋转角度)的计算方法进行说明。此处，对于通过盘簧24产生的扭矩τ而言，若将从第一摆动部93观察的盘簧24的表观上的刚性(弹簧常数)设为k_R、将第一摆动部93的摆动角度设为θ、将相当于摆动的中心的位置的角度设为θ₀、将减速机82的减速比设为n、将减速机82的效率设为η_R、将通过盘簧24在减速机82的带轮侧轴82B产生的扭矩设为τ₁，则以下的式38、式39成立。

τ＝k_R(θ-θ₀)…式38

τ＝η_Rnτ₁…式39

另外，在减速机82的带轮侧轴82B产生的扭矩τ₁在将盘簧24的本来的弹簧常数设为k、将盘簧24的相对于固定端的自由端的旋转角度设为θ′的情况下，以下的式40、式41成立。

τ₁＝kθ′…式40

n(θ-θ₀)＝θ′…式41

根据上述的式40与式41，获得以下的式42，从而根据该式42与上述的式39，能够获得以下的式43。

τ₁＝kn(θ-θ₀)…式42

τ＝η_Rn·kn(θ-θ₀)＝η_Rn²k(θ-θ₀)…式43

根据上述的式43与式38，能够获得以下的式44。

k_R＝η_Rn²k…式44

此处，若考虑使盘簧24的固定端移动(旋转)θ₁，则以下的式45成立，从而根据该式45与上述的式40，能够获得以下的式46。

θ′＝n(θ-θ₀)-θ₁…式45

τ1＝k[n(θ-θ₀)-θ₁]…式46

另外，根据上述的式39与式46，能够获得以下的式47。另外，根据式47与式38，能够获得下述的式48。

τ＝η_Rn·k[n(θ-θ₀)-θ₁]

＝η_Rn²k{1-θ₁/[n(θ-θ₀)]}(θ-θ₀)…式47

k_R＝ηRn²k{1-θ₁/[n(θ-θ₀)]}…式48

此处，将负荷(与第二摆动部95以及第二旋转部94一体化的第一摆动部93)的质量设为m、将负荷的惯性力矩设为J、将负荷的粘性系数设为d、将从第一摆动部93的摆动中心至负荷的重心的距离设为l(参照图15)，若sinθ≈θ，则以下的式49成立。此外，惯性力矩J与直至重心的距离l因负荷(与第二摆动部95以及第二旋转部94一体化的第一摆动部93)的姿势而变化，因此预先计算该值而使用。

另外，在摆动的动作方向作用有重力的情况下的能量的总和E通过下式50获得。

此处，将式50的能量的总和E形成最小化的条件如以下的式51所示的那样，根据式51，能够获得式52、式53。

在摆动的动作视为以θ₀为中心的正弦波的情况下，能够视为式54。而且，根据式54与式53，能够获得以下的式55。

θ＝θ₀+Asinωt…式54

k_R＝[(JAω²sinωt-mgl)/(Asinωt)]＝Jω²-mgl/(Asinωt)…式55

以上，将盘簧24的固定端24A的位置的角度θ₁(相当于图9所示的偏置角度θs)调整为相对于第一摆动部93的摆动角度θ实时地满足式48，从而能够将电动马达84M的消耗能量形成最小化。

本发明的摆动关节装置(脚力支援装置)、步行辅助装置、输送装置、机械手及其构造、结构、形状、外观等能够在不变更本发明的主旨的范围内进行各种变更、追加、删除。

在本实施方式中说明的摆动关节装置(脚力支援装置)的用途不限定于作为支援用户的下肢的摆动运动(步行、行走)的用途的步行辅助装置，也能够应用于进行周期性的摆动运动的输送装置、机械手等各种对象物。

在本实施方式中，电动马达11、电动马达31、上下驱动用促动器74M、电动马达84M的摆动旋转运动被带轮与带传递至大腿摆动臂13、小腿摆动臂33、小齿轮71B、第一摆动部93，但不限定于带轮与带，也可以使用齿轮、连杆机构等进行传递。

另外，在本实施方式的说明中，对在大腿摆动臂13(带轮15)与盘簧24之间设置变速器25，在大腿摆动臂13(带轮15)间接地连接盘簧24的例子进行了说明，但也可以省略变速器25，将大腿摆动臂13(带轮15)与盘簧24直接连接。相同地，也可以省略减速机72、减速机82。

另外，在本实施方式中，在作为弹性体使用盘簧24的例子中进行了说明，但能够代替盘簧24而使用各种弹性体。例如，也可以为卷绕为螺旋状的伸缩弹簧、板状弹簧、波形弹簧等其他的弹性体。另外，也可以为橡胶、树脂等人造橡胶、油那样的液体、利用了气体的弹性体。能够以与保存能量的对象物(动作)的运动量、保存的能量一致的方式变更弹性体。在保存的能量比较少的情况下，使用人造橡胶很有效。另外，相对于用户的步行、行走等的动作，从较大的能量的保存量、弹簧常数(刚性)等的大小、调整的容易性等来看，使用盘簧很有效。另外，盘簧从成本的方面考虑也优选。

以下，使用附图对作为用于实施本发明的方式的第七实施方式按顺序进行说明。此外，当在各图中记载了X轴、Y轴、Z轴的情况下，X轴、Y轴以及Z轴相互正交，Z轴方向表示铅垂向上方向，X轴方向表示相对于用户(安装了摆动关节装置的用户)的前方，Y轴方向表示相对于用户的左方。此外，在本说明书中，图17所示的“大腿摆动臂13”相当于“第一摆动臂”，“小腿摆动臂33”相当于“第二摆动臂”。另外，“旋转角度检测部11S”相当于“第一角度检测部”，“旋转角度检测部31S”相当于“第二角度检测部”。另外，“电动马达11”相当于“第一驱动部”，“电动马达31”相当于第二驱动部，“电动马达21”相当于“变速比调整马达”。另外，在以下的说明中，示出了驱动轴部件6为凸状的部件的例子，但驱动轴部件6也可以为凸形状的轴，也可以为对轴进行支承的凹形状(孔形状)。因此，“绕驱动轴部件6”的记载表示与“绕作为驱动轴部件6的中心轴的驱动轴线6J”相同的情况。另外，“变速器25”与“电动马达21”相当于“表观上弹簧常数可变部”以及“变速部”。另外，“大腿摆动臂的刚性”是指使大腿摆动臂13摆动所需的每个单位角度位移的扭矩。另外，“小腿中继臂34”与“小腿臂35”相当于“摆动连杆部件”。

图17～图20表示第七实施方式的摆动关节装置1的整体结构。第七实施方式的摆动关节装置1安装于用户的单个脚(在第七实施方式中为左脚)，来支援用户的步行或者行走等的动作。如图17所示，摆动关节装置1由附图标记2、3、4、5、6等所示的用户安装部、附图标记11、12、14、14B、15、13、19等所示的大腿摆动部、附图标记21、22、24、25等所示的刚性调整部、附图标记31、32、32P、32B、33、34、35、36、39等所示的小腿摆动部构成。此外，图17是表示摆动关节装置1的各构成要素的形状与组装位置等的分解立体图，图18表示组装了各构成要素的状态的摆动关节装置1。另外，图19对将摆动关节装置1安装于用户的状态进行说明，图20表示大腿摆动臂13以及小腿摆动臂33的摆动的例子。在第七实施方式的摆动关节装置1中，对与第一实施方式的摆动关节装置1相同或同等的部位标注相同的附图标记，并省略说明。

以下，对由电动马达21、托架22、盘簧24、变速器25等构成的刚性调整部(图17～图19、图21～图23)进行说明。托架22是相对于基座部2固定电动马达21的部件，在托架22设置有用于供电动马达21的旋转轴插通的贯通孔22H，托架22被固定于基座部2。另外，如图17、图22所示，大腿摆动臂13的圆板部13G的贯通孔13H、带轮15的带轮轴部件15J、变速器25的轴25A、盘簧24的中心轴配置为与驱动轴线6J同轴。另外，如图21以及图22所示，变速调整螺钉21N、托架22的贯通孔22H、电动马达21的减速机21D配置为与作为变速调整螺钉21N的轴的轴21J同轴。

如图21以及图23所示，变速器25将固定于大腿摆动臂13的圆板部13G的带轮15的带轮轴部件15J连接于输入输出轴25H，基于被电动马达21调整的可变的变速比n，将n倍于向一方的输入输出轴25H输入的输入旋转角度θ的输出旋转角度nθ输出为另一输入输出轴25G的旋转角度。另外，变速器25将1/n倍于向另一输入输出轴25G输入的输入旋转角度θ的输出旋转角度θ/n输出为一方的输入输出轴25H的旋转角度。因此，变速器25若通过来自盘簧24的施力扭矩使输入输出轴25G旋转旋转角度θb，则使带轮轴部件15J旋转旋转角度θb·(1/n)。另外，如图21所示，在输入输出轴25G形成有向驱动轴线6J方向延伸的槽亦即弹簧自由端插通槽25B，用于固定盘簧24的自由端24B的一侧。此外，变速器25配置于将大腿摆动臂13的摆动角度向盘簧24传递的摆动角度传递路径上。

另外，图23表示变速器25的构造的例子。变速器25在壳体25E内具有输入输出轴25H、输入输出轴25G、多个变速锥(cone)25F、变速环25R等。输入输出轴25H的摆动角度经由大致圆锥形状的变速锥25F传递至输入输出轴25G，输入输出轴25G的摆动角度经由变速锥25F传递至输入输出轴25H。变速环25R具有环状形状并与各变速锥25F连接，供螺母25M连接。而且，若通过电动马达21的减速机21D使变速调整螺钉21N旋转，则螺母25M沿着变速调整螺钉21N的长度方向移动，从而变速环25R相对于各变速锥25F的相对的位置(在图23的例子中，为Y轴方向的位置)移动。于是，各变速锥25F的姿势变化，从而输入输出轴25G相对于输入输出轴25H的变速比n变化。

盘簧24绕规定的轴呈螺旋状卷绕弹簧材料等弹性体，如图21所示，将作为位于卷绕的中心部附近的端部的一端设为自由端24B，将作为位于从卷绕的中心部分离的位置的端部的另一端设为固定端24A。此外，在图21中，自由端24B固定于输入输出轴25G的弹簧自由端插通槽25B，固定端24A固定于托架22的弹簧支承体22J。例如弹簧支承体22J是沿着驱动轴线6J方向延伸的轴状部件，插通于在盘簧24的固定端24A的位置形成的筒状部。而且，弹簧支承体22J对盘簧24相对于托架22的固定端24A的位置进行固定。

电动马达21在前端安装有减速机21D，减速机21D被变速调整螺钉21N安装。而且，减速机21D插通于托架22的贯通孔22H，电动马达21固定于托架22，托架22固定于基座部2。另外，从收容于控制单元5的电池以及控制部向电动马达21与驱动信号一起供给电力。然后，电动马达21使变速调整螺钉21N相对于变速器25绕该变速调整螺钉21N的轴旋转，从而对变速器25的变速环25R的位置进行调整，进而对变速器25的变速比进行调整。另外，在电动马达21设置有编码器等旋转角度检测部21S。旋转角度检测部21S将与电动马达21的轴的旋转角度对应的信号输出至控制部。然后，控制部能够基于来自旋转角度检测部21S的检测信号与减速机21D的减速比，对减速机21D的旋转角度进行检测，从而对基于变速环25R的位置的变速比进行检测。此外，也可以在托架22设置对变速环25R相对于托架22的Y轴方向的位置进行检测的位置检测部(位置传感器)。另外，电动马达21是不空转的马达，即便在未通电的情况下减速机21D的旋转角度位置也被维持，从而维持变速器25的变速比。

以下，对盘簧24的固定端24A的位置(图24)进行说明。图24是图19所示的用户T(使用者)呈直立状态，且示出了大腿摆动臂13的摆动角度为零的情况下的例子，即盘簧24的施力扭矩为零的情况下的例子。而且，在图24的例子的盘簧24的固定端24A的位置，示出了在自由端24B既未产生绕驱动轴线6J的顺时针方向的施力扭矩，又未产生绕驱动轴线6J的“逆”时针方向的施力扭矩的状态的例子。而且，图24所示的基准线J1是在大腿摆动臂13的摆动角度为零，且在盘簧24的施力扭矩为零时，通过驱动轴线6J与弹簧自由端插通槽25B的假想直线，且示出了输入输出轴25G的基准旋转角度位置。此外，在图24的例子中，示出了在弹簧自由端插通槽25B的深度方向的前端存在固定端24A，在基准线J1上存在弹簧自由端插通槽25B与固定端24A的例子，但固定端24A的位置不限定于该位置。基准线J1是大腿摆动臂13的摆动角度为零，且盘簧24的施力扭矩为零的情况下的成为基准位置的线。

另外，图24所示的摆动角度nθf示出了在使大腿摆动臂13向顺时针方向以摆动角度θf摆动的情况下，输入盘簧24的自由端24B的摆动角度。在变速器25的变速比为n的情况下，若大腿摆动臂13向顺时针方向以摆动角度θf摆动，则变速器25的输入输出轴25G向顺时针方向以摆动角度nθf摆动。而且，若向盘簧24的自由端24B输入顺时针方向的摆动角度nθf，则在盘簧24的弹簧常数为k的情况下，盘簧24产生“逆”时针方向的施力扭矩k＊nθf。

另外，图24所示的摆动角度nθr示出了在使大腿摆动臂13向“逆”时针方向以摆动角度θr摆动的情况下，输入盘簧24的自由端24B的摆动角度。在变速器25的变速比为n的情况下，若大腿摆动臂13向“逆”时针方向以摆动角度θr摆动，则变速器25的输入输出轴25G向“逆”时针方向以摆动角度nθr摆动。而且，若向盘簧24的自由端24B输入“逆”时针方向的摆动角度nθr，则在盘簧24的弹簧常数为k的情况下，盘簧24产生顺时针方向的施力扭矩k＊nθr。

以下，使用图25对控制部50的输入输出进行说明。在控制单元5收容有控制部50以及电池60。另外，控制单元5设置有起动开关54、作为输入输出部的触摸面板55、向电池60充电的充电用连接器61等。另外，控制部50(控制装置)具有CPU50A、马达驱动器51、52、53等。此外，也具备用于执行控制部50的处理的程序、存储各种计测结果等的存储装置，但省略图示。

如后所述，控制部50求得用于使大腿摆动臂13进行摆动运动的目标摆动周期、目标摆动角度，经由马达驱动器51将驱动信号输出至电动马达11。电动马达11基于来自控制部50的驱动信号使减速机11D摆动，经由带轮14、带14B以及带轮15使大腿摆动臂13在规定周期内以规定角度进行摆动运动。另外，电动马达11的轴的旋转速度、旋转量被旋转角度检测部11S检测，检测信号输入马达驱动器51，并且经由马达驱动器51输入CPU50A。CPU50A以基于来自旋转角度检测部11S的检测信号的大腿摆动臂13的实际的摆动周期与实际的摆动角度接近目标摆动周期以及目标摆动角度的方式进行反馈控制。

另外，如后所述，控制部50求得从大腿摆动臂13观察的盘簧24的表观上弹簧常数成为最佳的值的变速器25的变速比，经由马达驱动器52将驱动信号输出至电动马达21。电动马达21基于来自控制部50的驱动信号经由减速机21D使变速调整螺钉21N旋转。另外，电动马达21的轴的旋转速度、旋转量被旋转角度检测部21S检测，检测信号输入马达驱动器52并且经由马达驱动器52输入CPU50A。CPU50A以基于来自旋转角度检测部21S的检测信号的实际的变速调整螺钉21N的旋转角度的变速器25的变速比接近目标刚性变速比的方式进行反馈控制。

如后所述，控制部50求得用于使小腿摆动臂33进行摆动运动的目标摆动周期、目标摆动角度，经由马达驱动器53将驱动信号输出至电动马达31。电动马达31基于来自控制部50的驱动信号，经由减速机31D、带轮32P以及带32B使小腿摆动臂33在规定周期内以规定角度进行摆动运动。另外，电动马达31的轴的旋转速度、旋转量被旋转角度检测部31S检测，检测信号输入马达驱动器53，并且经由马达驱动器53输入CPU50A。CPU50A以基于来自旋转角度检测部31S的检测信号的小腿摆动臂33的实际的摆动周期与实际的摆动角度接近目标摆动周期以及目标摆动角度的方式进行反馈控制。

起动开关54是用于起动控制部50的开关。另外，触摸面板55是用于进行用户的身高、体重等的输入、设定状态的显示等的装置。另外，充电用连接器61是在对电池60进行充电时，供充电用电缆连接的连接器。

以下，对控制部的处理顺序(图26)进行说明。使用图26所示的流程图，对控制部50的处理顺序进行说明。若用户操作控制单元的起动按钮(步骤S10)，则控制部进入步骤S15。

在步骤S15中，控制部等待来自触摸面板的用户的初始设定输入。若确认来自用户的身高与体重的输入，则控制部进入步骤S20。此外，控制部在即使经过规定时间也未确认来自用户的输入的情况下，例如，设定预先设定的标准身高与标准体重，进入步骤S20。

在步骤S20中，控制部在规定期间的期间，未向电动马达11、21、31通电，而对用户的步行状态(或者行走状态)进行计测，与计测时间对应地将来自旋转角度检测部11S、31S的检测信号作为计测数据存储于存储装置。电动马达11、31的轴形成在非通电时空转的结构。此外，电动马达21的轴形成在非通电时不空转而锁定的结构，基于电动马达21的变速调整螺钉21N的旋转角度不变化，而形成固定的变速比。例如在规定步数或者规定时间的期间，收集计测数据后进入步骤S25。

在步骤S25中，控制部根据基于来自旋转角度检测部11S的检测信号的计测数据，根据大腿摆动臂的摆动角度(摆动振幅)、大腿摆动臂的角速度以及角加速度对步行周期(摆动周期)进行计算。另外，相同地，控制部根据基于来自旋转角度检测部31S的检测信号的计测数据，并根据小腿摆动臂的摆动角度(摆动振幅)、小腿摆动臂的角速度以及角加速度对步行周期(摆动周期)进行计算。然后，控制部进入步骤S30。

在步骤S30中，控制部基于在步骤S25中计算出的大腿摆动臂的摆动角度、大腿摆动臂的摆动周期、在步骤S15中输入的用户的身高以及体重等，对作为最佳关节刚性的目标刚性变速比进行计算，进入步骤S35。此外，对目标刚性变速比的具体的计算方法后述。

在步骤S35中，控制部对电动马达21进行控制而将变速器25的变速比设定为在步骤S30中求得的目标刚性变速比，进入步骤S40。

在步骤S40中，控制部基于在步骤S25中计算出的大腿摆动臂的摆动角度、大腿摆动臂的摆动周期、小腿摆动臂的摆动角度、小腿摆动臂的摆动周期、电池的输出电压等，对用户的大腿部的辅助图案(向电动马达11输出的驱动信号的输出图案等)与用户的小腿部的辅助图案(向电动马达31输出的驱动信号的输出图案)进行计算，进入步骤S45。

在步骤S45中，控制部基于在步骤S40中计算出的辅助图案，开始向电动马达11以及电动马达31输出驱动信号，而使大腿摆动臂13以及小腿摆动臂33进行摆动运动，从而以继续用户的步行动作(或者行走动作)的方式支援用户的步行动作(或者行走动作)，进入步骤S50。此外，针对电动马达11以及电动马达31的驱动信号的输出在移至其他的步骤的情况下也被继续。

在步骤S50中，控制部使电动马达11以及电动马达31动作，而支援用户的步行(或者行走)的动作，并且如在步骤S20中计测出的那样，与计测时间对应地将来自旋转角度检测部11S、31S的检测信号作为计测数据存储于存储装置，进入步骤S55。此外，计测数据的收集在移至其他的步骤的情况下也被继续。

在步骤S55中，控制部基于在步骤S50中收集的计测数据，对用户是否希望停止步行动作(或者行走动作)的支援进行判定，在判定为希望停止支援的情况下(是)，使针对电动马达11以及电动马达31的驱动信号的输出停止而结束处理，在判定为不希望停止支援的情况下(否)返回步骤S25。

以下，对目标刚性变速比的计算方法：相对于大腿摆动臂13的顺时针方向的摆动角度θf的目标刚性变速比进行说明。对在图26所示的流程图的步骤S30中进行的目标刚性变速比的计算顺序进行说明，对大腿摆动臂13向顺时针方向以摆动角度θf摆动的情况下的例子进行说明。在该情况下，若将变速器25的变速比设为n，则在变速器25的输入输出轴25G向顺时针方向输入有摆动角度nθf。另外，若将变速器25的效率设为η、将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数设为k1、将从弹簧支承体22J的一侧观察的盘簧24的弹簧常数设为k(盘簧24的本来的弹簧常数)、将通过大腿摆动臂13的摆动产生的扭矩设为τ，则以下的式1成立。

τ＝k1·θf＝η·k·n²·θf…式1

若整理上述的式1，则在以下的式2中，能够求得从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k1。另外，整理式2，能够获得式3。

k1＝η·n²·k…式2

根据以上的式2，明确例如在欲将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k1形成现状的2倍的情况下，只要将现状的变速比n形成

倍的

即可。

此处，若将用户的步行频率(大腿摆动臂的摆动频率)设为f、将该情况下的角频率(角速度)设为ω，则以下的式4成立。步行频率f能够根据计测出的用户的步行(或者行走)的周期求得。因此，能够求得下述的式4的ω的值。

ω＝2·π·f…式4

另外，如上述那样，将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数设为k1。另外，将包括用户的下肢与大腿摆动臂13等的摆动对象物的绕驱动轴线6J的惯性力矩设为I。例如，惯性力矩I能够根据绕驱动轴线6J摆动的各部件的合计质量(已知)、该合计质量的重心的位置(距驱动轴线6J的距离，已知)、根据用户的体重以及身高推断出的下肢的质量与重心的位置(距驱动轴线6J的距离，已知)求得，从而以下的式5、式6成立。根据上述，明确ω的值，也明确惯性力矩I，因此根据下述的式6，能够求得从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上弹簧常数k1。

k1＝I·ω²…式6

另外，对于大腿摆动臂13的运动方程式，若将关节轴(驱动轴线6J)周围的粘性系数设为ρ，通常如下式7那样表示。此外，在式7中，使用上述的τ、I、k1，将摆动角度设为θ。

大腿部的摆动视为大致正弦波，因此若形成θ＝A·sinωt并代入上述的式7，则能够获得以下的式7A。

τ＝-A·I·ω²·sinωt+A·ρ·ω·cosωt+A·k1·sinωt

＝A(k1-I·ω²)·sinωt+A·ρ·ω·cosωt

…式7A

在上述的式7A中，在k1＝I·ω²，即共振状态成立时，能够将τ形成最小。因此，成为扭矩与角度位移的积的能量也能够形成最小化。

在图24的例子中，在使大腿摆动臂13向顺时针方向以摆动角度θf摆动时，将电动马达11的功率消耗形成最小的变速比n为目标刚性变速比，根据上述的式7与式2求得的变速比n为目标刚性变速比。另外，根据上述的式6与式2，能够求得同角频率ω与惯性力矩I对应的变速比n(使盘簧的共振频率与摆动对象物的摆动频率一致的变速比n)。

以下，对目标刚性变速比的计算方法(相对于大腿摆动臂13的“逆”时针方向的摆动角度θr的目标刚性变速比)进行说明。对在图26所示的流程图的步骤S30中进行的目标刚性变速比的计算顺序进行说明，对大腿摆动臂13向“逆”时针方向以摆动角度θr摆动的情况下的例子进行说明。在该情况下，若将变速器25的变速比设为n，则在变速器25的输入输出轴25G向“逆”时针方向输入有摆动角度nθr。另外，若将变速器25的效率设为η、将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数设为k2、将从弹簧支承体22J的一侧观察的盘簧24的弹簧常数设为k、将通过大腿摆动臂13的摆动产生的扭矩设为τ，则以下的式8成立。

τ＝k2·θr＝η·k·n²·θr…式8

若整理上述的式8，则在以下的式9中，能够求得从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k2。另外，整理式9，能够获得式10。

k2＝η·n²·k…式9

根据以上的式9，明确例如在欲将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数k2形成现状的2倍的情况下，只要将现状的变速比n形成

倍的

即可。

此处，若将用户的步行频率(大腿摆动臂的摆动频率)设为f、将该情况下的角频率(角速度)设为ω，则上述的式4成立。另外，如上述那样，在将从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上的弹簧常数设为k2，将包括用户的下肢与大腿摆动臂13等的摆动对象物的绕驱动轴线6J的惯性力矩与上述相同地设为I的情况下，以下的式11、式12成立。根据上述，明确ω的值，从而也明确惯性力矩I，因此根据下述的式12，能够求得从大腿摆动臂13的一侧观察的盘簧24的表观上弹簧常数k2。

k2＝I·ω²…式12

另外，对于大腿摆动臂13的运动方程式，若将关节轴(驱动轴线6J)周围的粘性系数设为ρ，则通常如下式13那样表示。此外，在式13中，使用上述的τ、I、k2，将摆动角度设为θ。

大腿部的摆动视为大致正弦波，因此若形成θ＝A·sinωt并代入上述的式13，则能够获得以下的式13A。

τ＝-A·I·ω²·sinωt+A·ρ·ω·cosωt+A·k2·sinωt

＝A(k2-I·ω²)·sinωt+A·ρ·ω·cosωt

…式13A

在上述的式13A中，在k2＝I·ω²，即共振状态成立时，能够将τ形成最小。因此，成为扭矩与角度位移的积的能量也能够形成最小化。

在图24的例子中，在使大腿摆动臂13向“逆”时针方向以摆动角度θr摆动时，将电动马达11的功率消耗形成最小的变速比n为目标刚性变速比，根据上述的式13与式9求得的变速比n为目标刚性变速比。另外，根据上述的式12与式9，能够求得同角频率ω与惯性力矩I相应的变速比n(使盘簧的共振频率与摆动对象物的摆动频率一致的变速比n)。

以上，使用控制部50，基于绕驱动轴部件6的大腿摆动臂13的摆动频率f、包括大腿摆动臂13的摆动对象物(包括用户的下肢与大腿摆动臂13，绕驱动轴线6J摆动的全部的物体)的绕驱动轴部件6的惯性力矩I、盘簧24的弹簧常数k、大腿摆动臂13的顺时针方向的摆动角度θf或者大腿摆动臂13的“逆”时针方向的摆动角度θr，以盘簧24的共振角频率ω与摆动对象物的摆动的频率一致的方式对变速器25的变速比n进行调整。

如上，以盘簧24与惯性力矩I的共振角频率ω与包括大腿摆动臂13的摆动对象物(绕驱动轴部件6摆动的物体整体)的摆动的频率一致的方式对变速器25的变速比n进行调整，从而能够将在电动马达11中消耗的电力形成最小。此外，不根据上述的式求得变速比n，反复在将变速比变更微小量而对该变速比的规定周期部分的电动马达11的功率消耗进行计测后，再次将变速比变更微小量而对规定周期部分的电动马达11的功率消耗进行计测，求得功率消耗最少的变速比。另外，设置变速器25，对大腿摆动臂13的摆动角度进行放大，向盘簧24输入放大的摆动角度，从而能够使用弹簧常数比较小的小型的盘簧。另外，电动马达21也能够使用更小的扭矩的小型的电动马达。

以上说明的第七实施方式的摆动关节装置1为用户的左脚用，但也可以追加右脚用的基座部(基座部2的左右对称版)、右脚用的大腿摆动部(由附图标记11、12、14、14B、15、13、19等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的刚性调整部(由附图标记21、22、24、25等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的小腿摆动部(由附图标记31、32、32P、32B、33、34、35、36、39等表示的各部件的左右对称版)，利用控制单元5支援用户的两脚的步行动作(或者行走动作)。

以下，对第八实施方式的摆动关节装置进行说明。第八实施方式的摆动关节装置从图17～图20所示的第七实施方式的摆动关节装置1省略电动马达11(以及旋转角度检测部11S)、托架12、带轮14、带14B，而追加能够对大腿摆动臂13的摆动角度进行检测的旋转角度检测部。在该第八实施方式中，虽无法通过电动马达支援用户的步行(或者行走)的大腿部的运动，但能够通过电动马达31支援小腿部的运动。另外，具有由附图标记21、22、24、25等表示的刚性调整部，因此以始终成为共振状态的方式将变速器25的变速比n形成适当的变速比，从而能够适当地减少用户的大腿部的运动量。

另外，与第七实施方式相同地，也可以追加右脚用的基座部(基座部2的左右对称版)、右脚用的大腿摆动部(由附图标记13、19等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的刚性调整部(由附图标记21、22、24、25等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的小腿摆动部(由附图标记31、32、32P、32B、33、34、35、36、39等表示的各部件的左右对称版)，利用控制单元5支援用户的两脚的步行动作(或者行走动作)。

以下，对第九实施方式的摆动关节装置进行说明。第九实施方式的摆动关节装置从图17～图20所示的第七实施方式的摆动关节装置1省略电动马达31、托架32、带轮32P、带32B、小腿摆动臂33、小腿中继臂34、小腿臂35、脚保持部36、小腿安装部39。在该第九实施方式中，通过电动马达11支援用户步行(或者行走)时大腿部的运动，而未支援小腿部的运动。此外，具有由附图标记21、22、24、25等表示的刚性调整部，因此以始终成为共振状态的方式将变速器25的变速比n形成适当的变速比，从而能够更加减少电动马达11的功率消耗。

另外，与第七实施方式相同地，也可以追加右脚用的基座部(基座部2的左右对称版)、右脚用的大腿摆动部(由附图标记11、12、14、14B、15、13、19等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的刚性调整部(由附图标记21、22、24、25等表示的各部件的左右对称版)，利用控制单元5支援用户的两脚的步行动作(或者行走动作)。

以下，对第十实施方式的摆动关节装置进行说明。第十实施方式的摆动关节装置从第九实施方式的摆动关节装置省略电动马达11(以及旋转角度检测部11S)、托架12、带轮14、带14B，而追加能够对大腿摆动臂13的摆动角度进行检测的旋转角度检测部。在该第十实施方式中，无法支援用户步行(或者行走)时小腿部的运动。另外，也无法通过电动马达支援用户大腿部的运动。但是，具有由附图标记21、22、24、25等表示的刚性调整部，因此以始终成为共振状态的方式将变速器25的变速比n形成适当的变速比，从而能够适当地减少用户的大腿部的运动量。

另外，与第七实施方式相同地，也可以追加右脚用的基座部(基座部2的左右对称版)、右脚用的大腿摆动部(由附图标记13、19等表示的各部件的左右对称版)、右脚用的刚性调整部(由附图标记21、22、24、25等表示的各部件的左右对称版)，利用控制单元5支援用户的两脚的步行动作(或者行走动作)。

本发明的摆动关节装置的构造、结构、形状、外观等能够在不变更本发明的主旨的范围内进行各种变更、追加、删除。

在本实施方式中说明的摆动关节装置的用途不限定于支援用户的下肢的摆动运动(步行、行走)的用途，能够应用于进行周期性的摆动运动的各种对象物。

在本实施方式中，电动马达11、电动马达31的摆动旋转运动被带轮与带传递至大腿摆动臂13、小腿摆动臂33，但不限定于带轮与带，也可以使用齿轮、连杆机构等来进行传递。

Claims (20)

1.一种摆动关节装置，其特征在于，具有：

驱动轴部件；

第一输出部，其绕作为所述驱动轴部件的轴的驱动轴摆动；

弹性体，其产生与作为所述第一输出部的摆动角度的第一摆动角度对应的施力扭矩；

表观上刚性可变部，其使从所述第一输出部观察的所述弹性体的表观上的刚性可变；

第一角度检测部，其对所述第一摆动角度进行检测；以及

控制部，其根据由所述第一角度检测部检测出的所述第一摆动角度对所述表观上刚性可变部进行控制，来对从所述第一输出部观察的所述弹性体的所述表观上的刚性进行调整，

所述弹性体包括盘簧(24)，

从所述第一输出部观察的所述弹性体的所述表观上的刚性包括从所述第一输出部观察的所述盘簧(24)的表观上的弹簧常数，

使从所述第一输出部观察的所述弹性体的所述表观上的刚性可变的所述表观上刚性可变部包括使从所述第一输出部观察的所述盘簧(24)的所述表观上的弹簧常数可变的表观上弹簧常数可变部。

2.根据权利要求1所述的摆动关节装置，其特征在于，

在与所述盘簧(24)邻接的位置配置有对所述盘簧(24)的固定端进行支承的弹簧固定部件，

作为所述盘簧(24)的一端的自由端连接于以与所述第一输出部的所述第一摆动角度对应的角度摆动的弹簧输入轴部件，

作为所述盘簧(24)的另一端的所述固定端连接于在所述弹簧固定部件的从所述驱动轴分离的位置设置的弹簧支承体，

所述表观上弹簧常数可变部由所述弹簧固定部件以及刚性调整部件构成，其中，所述弹簧固定部件被支承为能够绕所述驱动轴自由旋转，通过绕所述驱动轴以规定旋转角度旋转，使所述弹簧支承体相对于所述驱动轴的位置绕所述驱动轴移动所述规定旋转角度，所述刚性调整部件使所述弹簧固定部件绕所述驱动轴旋转，来使所述盘簧(24)的所述固定端的位置可变。

3.根据权利要求2所述的摆动关节装置，其特征在于，

在所述第一输出部与所述盘簧(24)之间设置有变速器(25)，

所述变速器(25)具有所述弹簧输入轴部件，若所述第一输出部以所述第一摆动角度摆动，则所述弹簧输入轴部件按照被规定的变速比变速的变速后摆动角度摆动。

4.根据权利要求2所述的摆动关节装置，其特征在于，

所述控制部当在所述第一摆动角度为零的情况下将所述盘簧(24)未产生施力扭矩的所述弹簧支承体的位置设为基准位置的情况下，通过根据所述第一输出部的所述第一摆动角度，对所述刚性调整部件进行控制而对所述弹簧固定部件的旋转角度进行调整，来调整所述弹簧支承体相对于所述基准位置的位置，从而对从所述第一输出部观察的所述盘簧(24)的所述表观上的弹簧常数进行调整。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的摆动关节装置，其特征在于，

具有基于来自所述控制部的控制信号使所述第一输出部绕所述驱动轴摆动的第一驱动部(11)。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的摆动关节装置，其特征在于，具有：

第二输出部，其被支承为能够绕所述驱动轴自由摆动；

第二角度检测部(31S)，其对作为所述第二输出部的摆动角度的第二摆动角度进行检测；

第二驱动部(31)，其基于来自所述控制部的控制信号使所述第二输出部绕所述驱动轴摆动；以及

摆动连杆部件(34、35)，其连接于所述第一输出部与所述第二输出部，并基于所述第一输出部的所述第一摆动角度与所述第二输出部的所述第二摆动角度进行动作。

7.一种步行辅助装置，其特征在于，

具有权利要求1～4中任一项所述的摆动关节装置。

8.一种输送装置，其特征在于，

具有权利要求2所述的摆动关节装置，

所述输送装置包括：

所述驱动轴部件、

以绕所述驱动轴部件的所述驱动轴摆动的方式进行往复旋转动作的所述第一输出部亦即小齿轮、

具有与所述小齿轮啮合的齿条部的臂，所述臂根据作为所述小齿轮的往复旋转角度的摆动角度进行往复直线运动并且能够把持与释放工件、

驱动所述小齿轮使之旋转的小齿轮驱动部、

对作为所述小齿轮的所述摆动角度的所述第一摆动角度进行检测的所述第一角度检测部、

在所述小齿轮驱动部驱动所述小齿轮使之旋转时积蓄能量并在释放积蓄的能量时驱动所述小齿轮使之旋转的所述盘簧(24)、

具有所述弹簧固定部件以及所述刚性调整部件的所述表观上弹簧常数可变部、以及

对所述小齿轮驱动部与所述刚性调整部件进行控制的所述控制部，

通过使所述臂进行往复直线运动并且把持与释放工件，使工件移动。

9.一种机械手，其特征在于，

具有权利要求2所述的摆动关节装置，

所述机械手包括所述驱动轴部件、绕所述驱动轴部件的所述驱动轴摆动的所述第一输出部亦即摆动部、使所述摆动部摆动的摆动部驱动部、对作为所述摆动部的摆动角度的所述第一摆动角度进行检测的所述第一角度检测部、在所述摆动部驱动部使所述摆动部摆动时积蓄能量并在释放积蓄的能量时使所述摆动部摆动的所述盘簧(24)、具有所述弹簧固定部件以及所述刚性调整部件的所述表观上弹簧常数可变部、以及对所述摆动部驱动部与所述刚性调整部件进行控制的所述控制部。

10.一种对用户的下肢的运动给予辅助力的脚力支援装置，其特征在于，具备：

腰侧安装部(2)，其安装于所述用户的腰侧部；

长条状的第一摆动臂，其配置于所述用户的大腿的侧方，并在该第一摆动臂的上部形成成为所述第一摆动臂的摆动的轴的凹形状或者凸形状；

大腿安装部，其安装于所述第一摆动臂，并紧贴于所述用户的大腿；

驱动轴部件，其对成为所述第一摆动臂的所述摆动的轴的凹形状或者凸形状进行支承，并相对于所述腰侧安装部(2)将所述第一摆动臂支承为能够沿所述用户的前后方向自由摆动；

刚性可变部，其使绕所述驱动轴部件的轴亦即驱动轴摆动用的所述第一摆动臂摆动所需的力亦即刚性可变；以及

控制部，其通过对所述刚性可变部进行控制，对绕所述驱动轴摆动的所述第一摆动臂的所述刚性进行控制，

所述刚性可变部由盘簧(24)、弹簧固定部件以及刚性调整旋转部件构成，

所述盘簧(24)、所述弹簧固定部件以及所述刚性调整旋转部件配置为与所述驱动轴同轴，

在与所述盘簧(24)邻接的位置配置有对所述盘簧(24)的固定端进行支承的弹簧固定部件，

作为所述盘簧(24)的一端的自由端连接于以与作为所述第一摆动臂的摆动角度的第一摆动角度对应的角度摆动的弹簧输入轴部件，

作为所述盘簧(24)的另一端的所述固定端连接于在所述弹簧固定部件的从所述驱动轴分离的位置设置的弹簧支承体，

所述刚性调整旋转部件基于来自所述控制部的控制信号，使所述弹簧固定部件绕所述驱动轴旋转，使所述盘簧(24)的所述固定端的位置移动，从而对所述刚性进行调整。

11.根据权利要求10所述的脚力支援装置，其特征在于，

在所述第一摆动臂与所述盘簧(24)之间设置有变速器(25)，

所述变速器(25)具有所述弹簧输入轴部件，若所述第一摆动臂以所述第一摆动角度摆动，则所述弹簧输入轴部件按照被规定的变速比变速的变速后摆动角度摆动。

12.根据权利要求10所述的脚力支援装置，其特征在于，

具备对所述第一摆动臂的所述第一摆动角度进行检测的第一角度检测部，

所述控制部根据由所述第一角度检测部检测出的所述第一摆动角度，对所述刚性调整旋转部件进行控制，而对所述弹簧固定部件的旋转角度进行调整，来对从所述第一摆动臂观察的所述盘簧(24)的表观上的弹簧常数进行调整，从而对所述刚性进行调整。

13.根据权利要求12所述的脚力支援装置，其特征在于，

所述控制部基于所述第一摆动臂绕所述驱动轴的摆动频率以及所述第一摆动角度、包括所述第一摆动臂的摆动对象物的绕所述驱动轴的惯性力矩、所述盘簧(24)的弹簧常数，以所述盘簧(24)的共振频率与所述摆动对象物的所述摆动频率一致的方式对所述弹簧固定部件的旋转角度进行调整。

14.根据权利要求10～13中任一项所述的脚力支援装置，其特征在于，

具有基于来自所述控制部的控制信号使所述第一摆动臂绕所述驱动轴摆动的第一驱动部(11)。

15.根据权利要求10～13中任一项所述的脚力支援装置，其特征在于，具有：

第二摆动臂，其被支承为能够绕所述驱动轴自由摆动；

第二角度检测部(31S)，其对作为所述第二摆动臂的摆动角度的第二摆动角度进行检测；

第二驱动部(31)，其基于来自所述控制部的控制信号使所述第二摆动臂绕所述驱动轴摆动；

摆动连杆部件(34、35)，其连接于所述第一摆动臂与所述第二摆动臂，并基于所述第一摆动臂的所述第一摆动角度与所述第二摆动臂的所述第二摆动角度进行动作；以及

小腿安装部，其安装于所述第二摆动臂，并紧贴于所述用户的小腿。

16.一种摆动关节装置，其特征在于，具有：

驱动轴部件；

第一摆动臂，其被支承为能够绕作为所述驱动轴部件的轴的驱动轴自由摆动；

盘簧(24)，其产生与作为所述第一摆动臂的摆动角度的第一摆动角度对应的施力扭矩；

表观上弹簧常数可变部，其使从所述第一摆动臂观察的所述盘簧(24)的表观上的弹簧常数可变；

第一角度检测部，其对所述第一摆动角度进行检测；以及

控制部，其根据由所述第一角度检测部检测出的所述第一摆动角度对所述表观上弹簧常数可变部进行控制，

所述表观上弹簧常数可变部为能够调整变速比的变速部，并配置于将所述第一摆动臂的所述第一摆动角度传递至所述盘簧(24)的摆动角度传递路径中，将所述第一摆动臂的所述第一摆动角度转换成与被所述控制部调整的变速比对应的弹簧摆动角度，并传递至所述盘簧(24)，

所述控制部通过根据所述第一摆动角度对所述变速部的变速比进行调整，对从所述第一摆动臂观察的所述盘簧(24)的表观上弹簧常数进行调整。

17.根据权利要求16所述的摆动关节装置，其特征在于，

在与所述盘簧(24)邻接的位置配置有对所述盘簧(24)的固定端进行支承的弹簧支承体，

所述变速部具有两个输入输出轴，

在调整后的变速比为n的情况下，若使一侧的输入输出轴以规定摆动角度摆动，则另一侧的输入输出轴以对所述规定摆动角度乘以n的摆动角度摆动，

若使所述另一侧的输入输出轴以所述规定摆动角度摆动，则所述一侧的输入输出轴以对所述规定摆动角度乘以1/n的摆动角度摆动，

所述一侧的输入输出轴连接于所述第一摆动臂，所述另一侧的输入输出轴连接于所述盘簧(24)的自由端。

18.根据权利要求17所述的摆动关节装置，其特征在于，

所述变速部由基于来自所述控制部的控制信号对所述变速比进行调整的变速比调整马达以及具有两个所述输入输出轴并通过所述变速比调整马达调整所述变速比的变速器(25)构成。

19.根据权利要求16～18中任一项所述的摆动关节装置，其特征在于，

具有基于来自所述控制部的控制信号使所述第一摆动臂绕所述驱动轴摆动的第一驱动部(11)。

20.根据权利要求16～18中任一项所述的摆动关节装置，其特征在于，还具有：

第二摆动臂，其被支承为能够绕所述驱动轴自由摆动；

第二角度检测部(31S)，其对作为所述第二摆动臂的摆动角度的第二摆动角度进行检测；

第二驱动部(31)，其基于来自所述控制部的控制信号，使所述第二摆动臂绕所述驱动轴摆动；以及

摆动连杆部件(34、35)，其连接于所述第一摆动臂与所述第二摆动臂，并基于所述第一摆动臂的所述第一摆动角度与所述第二摆动臂的所述第二摆动角度进行动作。

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