CN107923419B

CN107923419B - 致动器和身体助力装置

Info

Publication number: CN107923419B
Application number: CN201680042589.9A
Authority: CN
Inventors: 松尾正男; 小川和德; 池田智浩
Original assignee: Da Yi Ya Holdings Ltd
Current assignee: Da Yi Ya Holdings Ltd
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2036-08-25
Also published as: EP3346142A1; WO2017038599A1; CN107923419A; EP3346142A4; US20180256434A1; JP6710029B2; JP2017046754A

Abstract

本发明提供一种能够用比以往低的压力产生同等以上的收缩力的麦吉本型致动器。麦吉本型致动器(10)由当加圧时膨張的内侧管(11)和覆盖内侧管(11)的外表面并限制内侧管(11)的膨胀的外侧套管(12)构成，内侧管(11)的径向上的膨胀被外侧套管(12)变换为长度方向上的收缩，其中，内侧管(11)由伸长率为100％以上的弹性材料形成。

Description

致动器和身体助力装置

技术领域

本发明涉及麦吉本(Mckibben)型致动器、和使用该致动器来助力身体动作的身体助力装置。

背景技术

以助力腿或手等身体部位的动作为目的而穿戴在身体上的身体助力装置，在医疗领域或看护领域处于实用化阶段，近年来，其开发研究活跃起来。在身体助力装置中，通常设有当输入压力或电力等时进行工作的致动器。作为致动器，提出了各种致动器，不过通过流体压力而被驱动的流体压力式的致动器广泛普及。其中，麦吉本型致动器被广泛使用(例如参照专利文献1的0046段以及图4A、图4B)。

麦吉本型致动器是由当向其内部供给流体而加压时膨胀的内侧管、和覆盖内侧管的外表面并限制内侧管的膨胀的外侧套管构成的流体压力式的致动器。麦吉本型致动器中，在对内侧管加压时的内侧管的径向上的膨胀被外侧套管变换成长度方向上的收缩。即，麦吉本型致动器，在内侧管的非加压时呈细长的形态，在内侧管的加压时呈粗短的形态。麦吉本型致动器能够产生较大的收缩力，所以适于在助力身体中的比较重的部位的动作的情况下使用。

然而，为了用麦吉本型致动器产生较大的收缩力，需要将内侧管加压到一定程度的高压力。因此，麦吉本型的致动器具有内侧管容易破损、寿命短的缺点。此外，在使用了麦吉本型致动器的身体助力装置中，还存在作为用于向内侧管供给流体的泵等需要选择高功率的泵、该泵等易于大型化的缺点。另外，麦吉本型致动器还具有难以提高收缩率、难以助力位移大的动作的缺点。并且，麦吉本型致动器还具有在身体助力装置中使用的情况下、身体助力装置的穿戴者容易感到拘束感的缺点。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2011/036906号

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明是为了解决上述技术问题而做出的，提供一种能够以比以往低的压力产生同等以上的收缩力的麦吉本型致动器。此外，提供一种内侧管难以破损、寿命长的麦吉本型致动器也是本发明的目的。并且，实现对麦吉本型致动器中的内侧管加压的泵等的装置(内侧管加压机构)的小型化这一点也是本发明的目的。另外，提供收缩率高、能够助力位移大的动作的麦吉本型致动器也是本发明的目的。而且，提供在身体助力装置中使用的情况下穿戴者难以感到拘束感的麦吉本型致动器也是本发明的目的。另外，提供使用了本发明的致动器的身体助力装置也是本发明的目的。

用于解决技术问题的手段

上述技术问题通过提供如下的致动器来解决，该致动器，由当加压时膨胀的内侧管和覆盖内侧管的外表面并限制内侧管的膨胀的外侧套管构成，内侧管的径向上的膨胀被外侧套管变换为长度方向上的收缩，内侧管由伸长率为100％以上的弹性材料形成。

在此，“伸长率”是指，以“JIS K 6251:硫化橡胶以及热塑性橡胶－拉伸特性的求法”为基准算出的“预定应力拉伸E_S(％)”(参照该规格下的“15.1哑铃状试验片”的式5)。试验片使用该规格的“6.1哑铃状试验片”的表1中规定的“哑铃状1号形”的试验片。其中，该表中的“平行部分的厚度”设为2.5mm。另外，对试验片施加的拉伸力设为1.0Kg重。

本发明的致动器中，以与以往的麦吉本型致动器中的内侧管(通常由上述的伸长率为几十％左右的弹性材料形成。)相比很容易延伸的弹性材料来形成内侧管，所以能够以比以往低的压力产生同等以上的收缩力。

另外，本发明的致动器，即使不将内侧管加压到高压力也可进行动作，所以能够抑制内侧管的破损而使寿命变长，不仅如此，还能够实现内侧管加压机构的小型化。

并且，本发明的致动器，内侧管由容易延伸的(柔软的)原材料形成，所以在用于身体助力装置的情况下，穿戴者难以感到拘束感。

本发明的致动器中，形成内侧管的弹性材料的伸长率(以下有时记为“内侧管的伸长率”)只要为100％以上就没有特别限定。

但是，为了更加显著起到上述效果，优选将内侧管的伸长率进一步提高。内侧管的伸长率优选为200％以上，更优选为300％以上，进而优选为400％以上，进一步优选为500％以上，更加优选为600％以上，更优选为700％以上，更优选为800％以上，更优选为900％以上。这样伸长率高的内侧管例如可以由弹性体的发泡体形成。

不过，若内侧管的伸长率过高，则可能会难以维持内侧管的强度。因此，内侧管的伸长率通常设为2000％以下，优选设为1500％以下。

也可以是，本发明的致动器中，在非加压时的内侧管的外周面与外侧套管的内周面之间存在间隙。但是，在该情况下，从对内侧管开始加压之后到致动器开始动作为止的期间可能需要花费时间。因此，优选在非加压时使内侧管的外周面预先处在紧贴于外侧套管的内周面的状态。由此，能够在内侧管的加压开始后紧接着使致动器动作。

另外，在以往的麦吉本型致动器中，内侧管与外侧套管通常在其长度方向两端部彼此固定。本发明的致动器中的内侧管与外侧套管也可以采用与之同样的固定结构。本发明的致动器中，在将内侧管的长度方向两端部与外侧套管的长度方向两端部固定时，优选地使内侧管处于预先在长度方向上伸长了的状态。

由此，能够将具有比外侧套管的内径大的外径的筒状部件作为内侧管来使用。这是因为，内侧管越伸长则其外径变得越小，所以即使是在自然长度状态下具有比外侧套管的内径大的外径的内侧管，通过伸长，也会成为能够插入到外侧套管的内部的状态。

另外，在将内侧管插入了外侧套管之后的状态下，也容易使内侧管的外周面紧贴在外侧套管的内周面。这是因为插入于外侧套管的内侧管要向自然长度状态返回而缩短，由此其外径增大。

而且，能够将致动器做成容易在内侧管的加压后立即收缩。这是因为，致动器的收缩通过是内侧管径向上的膨胀被外侧套管变换为长度方向上的收缩而产生的，而通过将内侧管预先设为在长度方向上伸长了的状态，与长度方向相比，能够使得紧接着加压开始后的内侧管更容易在径向上膨胀。

另外，还能够使非加压时的致动器容易收缩而紧凑地收纳。因此，能够将致动器合适地用于身体助力装置。例如，如图4所示，在设想是将致动器10用作股关节用的身体助力装置100的情况时，在没有采用将内侧管以在长度方向伸长了的状态固定在外侧套管的构成的情况下，在身体助力装置100的穿戴者200落座了的状态(内侧管的非加压时)下，致动器10容易成为大幅地余出的状态(参照图4(b)的虚线部A),而在采用了将内侧管以在长度方向伸长了的状态固定在外侧套管的构成的情况下，在穿戴者200落座了的状态(内侧管的非加压时)下，能够将致动器10的余出量抑制得小。

若像这样采用了将内侧管以在长度方向伸长了的状态固定在外侧套管的构成，则能够起到各种效果，但是该构成是通过将内侧管以容易延伸的材料形成才能够采用的。在像以往的麦吉本型的致动器那样，内侧管由难以延伸(硬的)材料形成的情况下，若将内侧管以在长度方向伸长了的状态固定在外侧套管，则内侧管向自然长度状态返回的力过强，非加压时的致动器成为变形的形态。另外，在非加压时的致动器产生较大的收缩力，在用于身体助力装置的情况下穿戴者感到强的拘束感。

此外，上述技术问题通过提供一种身体助力装置来解决，该身体助力装置，其特征在于，具备：本发明的致动器；用于将致动器安装在身体的预定部位上的致动器穿戴部件；以及用于对致动器的内侧管加压的内侧管加压机构。

由此，能够提供一种穿戴者难以感到拘束感而能够舒适地使用的身体助力装置。

本发明的身体助力装置中，内侧管加压机构可以用电力等驱动，但是优选用人力驱动。本发明的致动器，如上所述，即使不将内侧管加压到高的压力也可进行动作，所以即使使用人力驱动式的内侧管加压机构，也能够输出对助力身体中的助力对象部位来说足够的工作力。作为使用人力驱动式的内侧管加压机构的例子，可以举出如下情况等：将致动器安装于能够助力穿戴者的腿的动作(将大腿部向前方上侧拉起的动作)的部位，将内侧管加压机构设为能够通过与被该致动器助力的一侧相反侧的脚踩踏的脚踏式泵。

发明效果

如上所述，利用本发明，能够提供一种能以比以往低的压力产生同等以上的收缩力的麦吉本型致动器。此外，能够提供内侧管难以破损、寿命长的麦吉本型致动器。进而，还能够实现对麦吉本型致动器中的内侧管加压的泵等的装置(内侧管加压机构)的小型化。另外，还能够提供收缩率高、能够助力位移大的动作的麦吉本型致动器。而且，还能够提供在用于身体助力装置的情况下穿戴者难以感到拘束感的麦吉本型致动器。另外，还能够提供使用了本发明的致动器的身体助力装置。

附图说明

图1是示出了本发明的致动器的局部剖切侧视图。

图2是分别示出了图1的致动器处于非加压状态或加压状态时的形态的局部剖切侧视图。

图3是示出了使用了本发明的致动器的身体助力装置的一例的图。

图4是说明图3所示的身体助力装置的动作的图。

具体实施方式

1.本发明的致动器

使用附图对本发明的致动器的优选实施方式更具体地进行说明。图1是示出本发明的致动器10的局部剖切侧视图。图2是说明图1的致动器10的动作的局部剖切侧视图。图2(a)示出了内侧管11处于非加压状态时的形态，图2(b)示出了内侧管11处于加压状态时的形态。图1和图2中的致动器10的比其中心线靠一侧的部分用剖面示出。

本发明的致动器10，如图1所示，是由内侧管11和覆盖内侧管11的外表面的外侧套管12构成的麦吉本型致动器。该致动器10，在内侧管11的非加压时，如图2(a)所示，呈细长的形态，另一方面，在内侧管11的加压时，如图2(b)所示，呈粗短的形态。

1.1内侧管

内侧管11，如图1所示，是其内部形成为中空的筒状部件。内侧管11的内部空间成为用于容纳流体的流体容纳部11a。在内侧管11的两端部(两侧的开口端部)，嵌入有密封部件13、14。在一方的密封部件13，设有贯通孔13a，并连接有流体移送管40的一端部。在流体移送管40的另一端部(与连接于内侧管11的一侧的端部相反侧的端部)，连接图示省略的内侧管加压机构。作为内侧管加压机构，可例示出人力驱动式的泵或电动式的泵等。若驱动内侧管加压机构，则流体从内侧管加压机构经过流体移送管40的内部和密封部件13的贯通孔13a，被供给至内侧管11的流体容纳部11a，内侧管11被加压。

向内侧管11供给的流体可以是气体和液体中的任一种。但是，在向内侧管11供给液体的情况下，需要设置预先贮藏液体的罐等，存在使用致动器10的装置的重量容易变大的缺点。此外，还需要应对漏液等的对策。因此，向内侧管11供给的流体优选是气体。尤其优选供给空气。这是因为，空气在致动器10的周围应有尽有，所以不需要设置贮藏空气的罐等，不仅如此即便直接排气也不会产生任何危害。本实施方式的致动器10中，也是向内侧管11供给空气。

内侧管11由弹性材料形成。因此，若流体供给到流体容纳部11a从而内侧管11被加压(内侧管11的内部压力变高)，则内侧管11开始膨胀。如上所述，本发明的致动器10中的内侧管11，与以往的麦吉本型致动器的内侧管所使用的弹性材料相比，由十分柔软且容易延伸的弹性材料形成，从而容易膨胀。

若内侧管11的管壁较薄地形成，则容易延伸，但是，若要用该方法来实现本发明的致动器10中的内侧管11所要求的等级的易延伸度，则内侧管11的管壁变得过薄，可能会容易破裂。若考虑内侧管11的强度，则优选内侧管11处于自然长度状态时的管壁的厚度优选为1mm以上，更优选为1.5mm以上，进而优选为2mm以上。本实施方式的致动器10中，内侧管11的管壁的厚度为大约2.5mm。内侧管11的管壁的厚度的上限没有特别规定，但在后述的身体助力装置中使用的情况下，通常到10～20mm左右为止。像这样，内侧管11的管壁优选在一定程度上地较厚地形成。

但是，若内侧管11的管壁厚，则内侧管11的伸长率变得难以提高。因此，内侧管11优选由弹性体的发泡体形成。由此，既能够确保内侧管11的管壁的厚度，又能够将内侧管11的柔软性提高到所要求的等级。但是，若用连通气泡型的发泡体形成内侧管11，则容纳在流体容纳部11a的流体可能会经过内侧管11的管壁而漏到外部。因此，在用发泡体形成内侧管11的情况下，通常做成独立气泡型的发泡体。作为内侧管11所使用的弹性体，可例示出由聚苯乙烯等热塑性树脂形成的弹性体或者由硅橡胶等热固性树脂构成的弹性体。在本实施方式的致动器10中，用聚苯乙烯类弹性体的发泡体(独立气泡型的发泡体)形成内侧管11。该发泡体的伸长率非常高，约为927％。

内侧管11的长度方向两端部被固定于外侧套管12的长度方向两端部。内侧管11与外侧套管12的固定方法没有特别限定。在本实施方式的致动器10中，通过在外侧套管12的长度方向两端部的外周部卷绕固定带16、17，从而将内侧管11的长度方向两端部与外侧套管12的长度方向两端部一起固定在密封部件13、14的外周部。在将内侧管11固定于外侧套管12时，将内侧管11设为比自然长度状态在长度方向上伸长了的状态。由此，能够实现如下效果：将具有比外侧套管12的内径大的外径的筒状部件作为内侧管12来使用；使非加压状态下的内侧管11的外周面紧贴于外侧套管12的内周面；容易使致动器10从紧接着内侧管11的加压后就收缩；容易使非加压时的致动器10从而紧凑地收纳等等。

关于将内侧管11固定于外侧套管12时使内侧管11以何种程度伸长，没有特别限定。不过，为了良好地发挥上述效果，优选将内侧管11以比自然长度状态伸长10％以上的状态固定。内侧管11优选比自然长度状态伸长20％以上，更优选伸长30％以上。另一方面，若将内侧管11固定在外侧套管12时过度伸长，则内侧管11处于非加压状态时，使内侧管11返回自然长度状态的力过强，从而非加压时的致动器10的形态可能会变形。因此，将内侧管11固定在外侧套管12时的内侧管11的从自然长度状态起的伸長率，通常为200％以下，优选为100％以下。在本实施方式的致动器10中，内侧管11以比自然长度伸长了30％左右的状态固定在外侧套管12。

内侧管11的长度和直径根据致动器10的用途等而不同，没有特别限定。即使限定于将致动器10用于身体助力装置的情况下，根据助力对象部位不同，致动器10的尺寸也是各式各样。在助力手指等小的身体部位的动作的情况下，致动器10的尺寸也设定得小，在助力腿等大的身体部位的动作的情况下，致动器10的尺寸也设定得大。在设想在身体助力装置中使用的情况下，致动器10的长度在小时为2～3cm左右，在大时可能会超过100cm。另外，致动器10的直径在小时为2～3mm左右，在大时可能会超过10cm。其他的部件(外侧套管12等)的尺寸设为与内侧管11相应的尺寸。

1.2外侧套管

外侧套管12，如图1所示，为覆盖内侧管11的外表面的筒状部件。该外侧套管12，通过限制内侧管11的膨胀，使致动器10进行所期望的动作。即，外侧套管12具有通过将内侧管11的径向上的膨胀变换为长度方向上的收缩而使致动器10收缩的功能。外侧套管12只要能够发挥该功能即可，并不限定其具体的构造。本实施方式的致动器10中，将非伸缩性的第一线材12a和非伸缩性的第二线材12b以交叉状态编织(网状地编织)并形成为管状而得的构件用作外侧套管12。外侧套管12中的第一线材12a与第二线材12b的交叉角度θ，如图2所示，根据外侧套管12的形态而变化。因此，即便第一线材12a和第二线材12b无法伸缩，通过第一线材12a与第二线材12b的交叉角度θ变化，外侧套管12整体也能够进行伸缩。外侧套管12，在径向上膨胀时在长度方向上收缩，在长度方向上膨胀时在径向上收缩。

1.3致动器的动作

说明本发明的致动器10的动作。在内侧管11的非加压时，如图2(a)所示，致动器10成为细长的形态。若从该非加压状态向内侧管11的流体容纳部11a供给流体而对内侧管11加压，则流体容纳部11a的内部压力增加，内侧管11开始膨胀。此时，内侧管11主要开始在径向上膨胀。这是因为，一般认为像内侧管11这样的细长管状构件，在其内部压力开始升高之后紧接着具有与长度方向相比更容易在径向上膨胀的倾向。本实施方式的致动器10中，如上所述，使内侧管11预先伸长(将内侧管11以伸长了的状态固定在外侧套管12)，所以在径向上容易膨胀的倾向更强。

若内侧管11开始在径向上的膨胀，则使得外侧套管12与该膨胀随动而也欲在径向上膨胀。然而，如上所述，外侧套管12由非伸缩性的线材(第一线材12a以及第二线材12b)的织物形成，所以只能够通过使第一线材12a与第二线材12b的交叉角度θ变化来在径向上膨胀。因此，外侧套管12一边在径向上膨胀一边在长度方向上收缩。因此，在将内侧管11加压到一定程度的状态下，如图2(b)所示，致动器10成为粗短的形态。加压时的致动器10比非加压时的致动器10变短ΔL(图2)。

这样，本发明的致动器10，通过使内侧管11的内部压力变化，其形态发生变化。本发明的致动器10中，通过将内侧管11以容易延伸的原材料形成，从而收缩率变为非常高。在此，“收缩率”是指，在将非加压时的致动器10的全长(通常为致动器10的长度的最大値)设为L₁，将最大加压时的致动器10的全长(通常为致动器10的长度的最小値)设为L₂时，通过{(L₁－L₂)/L₁}×100算出的值。以往的麦吉本型致动器中，收缩率至多25％左右，而本发明的致动器10中，能够使收缩率为30％以上，还能够进一步提高到35％以上、40％以上。致动器10的收缩率的上限没有特别限定，不过由于外侧套管12的机构上的限制，通常到50％左右为止。

另外，本发明的致动器10中，通过将内侧管11用容易延伸的原材料形成，还能够以低压力产生较大的收缩力。即，以往的麦吉本型致动器中，例如，若在收缩15％时要得到20N左右的收缩力，则需要将内侧管11的内部压力提高到300kPa左右,而本发明的致动器10中，能够以150kPa左右的压力产生同等的收缩力。在将内侧管11的外径设为10mm、将内径设为5mm(管壁的厚度为2.5mm)、将长度设为500mm、将内侧管11用伸长率为927％的弹性材料形成的本实施方式的致动器10的情况下，能够以更低的压力(90kPa左右)产生同等的收缩力。因此，作为后述的内侧管加压机构能够采用小型的机构。

2.本发明的身体助力装置

接着，使用附图更具体地说明本发明的身体助力装置的优选实施方式。图3是示出使用了本发明的致动器10的身体助力装置100的一例的图。图4是说明图3所示的身体助力装置100的动作的图。图4(a)示出了身体助力装置100的穿戴者200站立时的形态，图4(b)示出了身体助力装置100的穿戴者200落座时的形态。

本发明的身体助力装置100，如图3所示，具备：致动器10、用于将致动器10安装于穿戴者200的身体的预定部位上的致动器穿戴部件20、和用于对致动器10的内侧管11(图1)加压的内侧管加压机构30。致动器10是与上述的致动器(图1所示的致动器)相同的麦吉本型致动器。致动器10与内侧管加压机构30通过流体移送管40连接。

在本实施方式的身体助力装置100中，致动器穿戴部件20由用于将致动器10的一端部(上端部)安装于穿戴者200的腰部前侧的腰用穿戴部件21、和用于将致动器10的另一端部(下端部)安装于穿戴者200的膝部前侧的膝用穿戴部件22构成。因此，致动器10成为在穿戴者200的大腿部的前表面侧沿上下方向配置的状态。利用该致动器10能够助力将穿戴者200的大腿部向前方上侧拉起的动作。在本实施方式的身体助力装置100中，在左腿和右腿的各自分别排列设置两根致动器10。

另外，本实施方式的身体助力装置100中，内侧管加压机构30为设于穿戴者200的脚底的脚踏式泵。设于左腿的致动器10与右脚的脚踏式泵30连接，设于右腿的致动器10与左脚的脚踏式泵30连接。因此，在使左脚着地而踩踏了左脚底的脚踏式泵30时，右腿的致动器10被加压而收缩，由此右腿的大腿部被向前方上侧拉起，在使右脚着地而踩踏了右脚底的脚踏式泵30时，左腿的致动器10被加压而收缩，由此左腿的大腿部被向前方上侧拉起。即，利用身体助力装置100来助力穿戴者200的步行动作。

本发明的身体助力装置100中使用的致动器10，如上所述，能够以低压力产生较大的收缩力。因此，本发明的身体助力装置100中，尽管作为内侧管加压机构30使用的脚踏式泵(人力驱动式的泵)，但也能够使致动器10充分地工作。此外，本发明的身体助力装置100，由于致动器10的内侧管11用容易延伸的柔软的弹性材料形成，所以穿戴者200难以感到拘束感，能够舒适地使用。并且，本实施方式的身体助力装置100中，如上所述，将致动器10的内侧管11以伸长了状态固定在外侧套管12。因此，如图4(b)所示，能够将在穿戴者200落座了时等(内侧管11的非加压时)的致动器10的余出量抑制得小。

在以上说明中，以助力大腿部的动作的情况为例来说明了本发明的身体助力装置，但是本发明的身体助力装置的助力对象部位不限于此。本发明的身体助力装置能够提供各种装置，包括从助力手指、手腕、脚趾、脚踝等较小的身体部位的动作的装置到助力手臂、腰、脊椎等比较大的身体部位的动作的装置。另外，也能够用1台身体助力装置助力多处身体部位以及/或多种身体部位的身体部位的动作。

附图标记说明

10 致动器

11 内侧管

11a 流体容纳部

12 外侧套管

12a 第一线材

12b 第二线材

13 密封部件

13a 贯通孔

14 密封部件

16 固定带

17 固定带

20 致动器穿戴部件

21 腰用穿戴部件

22 膝用穿戴部件

30 脚踏式泵(内侧管加压机构)

40 流体移送管

100 身体助力装置

200 穿戴者

Claims

1.一种致动器，由当加压时膨胀的内侧管和覆盖内侧管的外表面并限制内侧管的膨胀的外侧套管构成，内侧管的径向上的膨胀被外侧套管变换为长度方向上的收缩，

内侧管由伸长率为100％以上的弹性材料形成，

内侧管是在自然长度状态下具有比外侧套管的内径要大的外径的筒状部件，在内侧管在长度方向上伸长了的状态下，内侧管的长度方向两端部被固定在外侧套管的长度方向两端部，

非加压时内侧管的外周面紧贴于外侧套管，

非加压时致动器为倾向于收缩的形状。

2.如权利要求1所述的致动器，内侧管由伸长率为200％以上的弹性材料形成。

3.如权利要求1或2所述的致动器，内侧管由弹性体的发泡体形成。

4.一种身体助力装置，其特征在于，具备：

如权利要求1～3中任一项所述的致动器；

用于将致动器安装在身体的预定部位上的致动器穿戴部件；以及

用于对致动器的内侧管加压的内侧管加压机构。

5.如权利要求4所述的身体助力装置，

内侧管加压机构由人力驱动。