CN111867522A - 辅助装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一个实施方式的辅助装置辅助下肢关节动作，具备驱动部、弹性部以及曲柄机构。所述驱动部包括电机和改变该电机速度的变速机构，将所述电机的旋转运动变换为直线运动。所述弹性部至少包括：串联弹簧，其串联设置在变速机构与曲柄机构之间；第1并列弹簧，其设置在驱动部与脚关节部之间；以及第2并列弹簧，其设置在脚关节部与脚部之间，通过压缩来缓和经由脚部来自对象物的冲击，并且蓄积该冲击力或自重力，通过伸长释放蓄积的能量来给与用于动作辅助的施力。所述曲柄机构设置在所述驱动部与脚部之间，一边根据脚关节角度来改变减速系数，一边将所述直线运动变换成旋转运动来传递给脚部。

Description

辅助装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及辅助装置及其控制方法。
背景技术
辅助四肢关节动作的辅助装置从以往开始，主要采用被动式、电子控制式以及主动式这三种类型的驱动方式。其中，在能动式中，利用电机等驱动单元来控制肘、膝、脚腕关节的伸展弯曲角度，由此来辅助抓握、步行等动作中的关节活动。
然而，在以往的能动式辅助装置中，为了在末端关节获得高驱动转矩需要使大电机一直动作，能量效率恶化，需要容量大的电池，从该观点出发，装置自体存在大幅变重的趋势。
【专利文献1】美国专利申请公开第2016/0158029号说明书
【专利文献2】韩国专利申请公开第10-2008-0075465公报
发明内容
本发明所要解决的课题在于提供一种能量效率优良的辅助装置及其控制方法。
为了解决上述课题，基于本发明所涉及的一个实施方式的辅助装置是辅助下肢关节动作的辅助装置，具备：驱动部，其包括电机和改变该电机的速度的变速机构，将所述电机的旋转运动变换为直线运动；弹性部，其通过压缩来缓和经由脚部来自对象物的冲击，并且蓄积其冲击力或自重力，通过伸长释放蓄积的能量来施加用于动作辅助的施力；以及曲柄机构，其设置在所述驱动部与脚部之间，一边根据脚关节角度来改变减速系数，一边将所述直线运动变换给旋转运动来传递给脚部。
根据基于本发明所涉及的一个实施方式的辅助装置，因为具备设置在驱动部与脚部之间根据脚关节角度一边改变减速系数一边将所述直线运动变换为旋转运动来传递给脚部的曲柄机构，所以能够提供一种能够机械实现人脚部关节的角度与转矩关系特性，抑制电能量消耗，由此通过装置小型化和轻量化实现了能量效率优良的辅助装置。
另外，基于本发明所涉及的其他实施方式的辅助装置的控制方法，是辅助下肢关节动作的辅助装置的控制方法，所述辅助装置具备：驱动部，其包括电机和改变该电机的速度的变速机构，将所述电机的旋转运动变换为直线运动；弹性部，其通过压缩来缓和经由脚部来自对象物的冲击，并且蓄积该冲击力，通过伸长释放蓄积的冲击力来施加用于动作辅助的施力；以及曲柄机构，其设置在所述驱动部与脚部之间，一边根据脚关节角度改变减速系数，一边将所述直线运动变换给旋转运动来传递给脚部，推定在步行周期内使用者的移动状況，根据推定的移动状況来控制所述驱动部，由此调整所述电机的转矩。
根据基于本发明所涉及的一个实施方式的辅助装置的控制方法，因为推定步行周期内使用者的移动状況，根据推定的移动状況关系来控制所述驱动部来调整所述电机的转矩，所以能够以优良的能量效率来控制辅助装置，此外通过所述弹性部对能量的蓄积和放出能够辅助步行。
其中，在本说明书中，“辅助”是包括代替的概念，不仅是假手或义肢这样代替缺损四肢一部分的装置，还适用于通过动力外骨骼(powered exoskeleton，power suit)等对关节活动进行辅助的装置。另外，“脚关节”这一用语不限于脚腕关节，还包括膝关节或股关节等。
附图说明
图1是表示人的步行周期的概略图。
图2是表示脚关节角度与跖屈、背屈之间的关系的图。
图3是表示步行动作中脚关节角度与脚关节转矩之间的关系的图表的一例。
图4是表示本发明所涉及的第一实施方式的辅助装置的主要结构的框图的一例。
图5A是表示本发明所涉及的第一实施方式的辅助装置的具体结构的立体图。
图5B是表示从图5A所示的辅助装置拆卸下壳体后的状态的具体结构的立体图的一例。
图6A是图5A的A―A横切线的截面图。
图6B是表示从图5A所示的辅助装置拆卸下壳体后的状态的具体结构的主视图的一例。
图7A是图5A的B―B横切线的截面图。
图7B是表示从图7A的结构拆卸下壳体后的状态的结构的截面图。
图8A是表示从图5A所示的辅助装置拆卸下壳体后的状态的具体结构的左侧视图。
图8B是从图8A所示的辅助装置拆卸下一部分结构后的状态的左侧视图。
图9是本发明所涉及的第一实施方式的辅助装置的动作的说明图。
图10是用于补充图9的说明的框图。
图11是本发明所涉及的第一实施方式中将直线运动运动变换为旋转运动的曲柄机构和其力的关系的说明图。
图12是表示基于减速系数影响的滑动曲柄的减速比的图表的一例的图。
图13是表示脚关节角度和电机对脚关节部的转矩之间的关系的图表的一例。
图14是表示穿戴第一实施方式的辅助装置的试验品步行的第一受试者的样子的照片。
图15是表示穿戴第一实施方式的辅助装置的试验品步行的第二受试者的样子的照片。
图16是表示在图14的受试者的实验中进行脚关节角度为4.5°附近的跖屈的结果和电机电流的图表的一例。
图17是在表示图15的受试者的实验中进行脚关节角度为5.5°附近的跖屈的结果和电机电流的图表的一例。
图18是表示站立相中电机角度在图14的受试者的实验中的变化的图。
图19是表示站立相中电机角度在图15的受试者的实验中的变化的图。
图20是表示在图14的受试者的实验中电机以及弹簧所赋予的脚关节部转矩的图表的一例。
图21是表示在图15的受试者的实验中电机以及弹簧所赋予的脚关节部转矩的图表的一例。
图22是表示在图14的受试者的最初的实验中存在变速系数K的情况和不存在变速系数K的情况之间的区别的、电机所赋予的脚关节部转矩的图表的一例。
图23表示在图14的受试者的实验中1个步行周期中转矩与角度的关系。
图24表示在图15的受试者的实验中1个步行周期中转矩与角度的关系。
图25是表示第一实施方式的一个变形例的辅助装置的主要结构的框图的一例。
图26是表示本发明所涉及的第二实施方式的辅助装置的主要结构的主视图的一例。
图27是表示图26所示的辅助装置所具备的路径切换部的更具体结构的电路图。
图28是表示图26所示的辅助装置所具备的路径切换部的更具体结构的电路图。
图29是表示本发明所涉及的第三实施方式的辅助装置的主要结构的框图的一例。
图30是表示本发明所涉及的第三实施方式的辅助装置的一个变形例的框图的一例。
图31A是表示为了比较弹性部有无的特性的区别而进行的一个实验例的结果的图表的一例。
图31B是表示为了比较弹性部有无的特性的区别而进行的一个实验例的结果的图表的其他的一例。
图32A是为了比较制动器有无的特性的区别而进行的一个实验例的结果的图表的一例。
图32B是表示为了比较制动器有无的特性的区别而进行的一个实验例的结果的图表的其他的一例。
图32C是为了比较表示制动器有无的特性的区别而进行的一个实验例的结果的图表的其他的一例。
图33A是表示利用本发明所涉及的辅助装置的实施方式的动力骨骼的一例的概略侧视图的一例。
图33B是表示利用本发明所涉及的辅助装置的实施方式的动力骨骼的一例的概略背面图的一例。
具体实施方式
以下，针对几个实施方式参照附图来进行说明。在附图中，对同一个部分赋予同一个参照编号，其重复说明适当省略。该留意的是，说明书附图用于促进对各个发明的说明和其理解，而各图中的形状或尺寸、比等与实际装置之间存在着不同的部分。
另外，说明中的上下等表示方向的用语表示后述的接受腔(socket)如位于比脚部靠上方位置那样配置的情况下的相对方向。因此，存在与以重力加速度方向为基准的现实方向不同的情况。
在以下，列举将本发明所涉及的辅助装置适用于义肢的情况为例来进说明，但是本发明不限于此，也可以适用于义肢以外的膝接头、脚以外的四肢，例如穿戴于上肢的假手、其他动力骨骼等。
(1)第1实施方式
图1是表示人步行周期的概略图。如图1所示，人的步行周期由站立相和迈步相构成。站立相是指步行中脚底至少一部分着陆于地面或地板面而施加体重至少一部分的期间。另外，迈步相是指步行中脚前掌从地面或地板面离开而接着脚跟接地为止的期间，即脚从地面或地板面离开抬起的期间。其中，地板面不限于水平面，包括高度变化的例如台阶的楼梯等。在本说明书中，地面或地板面与例如“对象物”对应。
如图1的站立相所示，在人步行动作中，首先使脚跟与地面或地板面接地(1)，之后体重从脚跟向脚和前方移动(2)，接着从脚尖踢蹬地面或地板面(3)，接着脚整体从地面或地板面离开(4)。
图2是表示脚关节角度与背屈、跖屈之间的关系的图。取垂直方向，即取从平坦地面或地板面90°的方向为基准，将相比于基准方向脚尖向脚底(脚底面)一侧的弯曲称为“跖屈”，将向脚背(脚背面)一侧弯曲称为“背屈”。在跖屈中，脚的方向在与地面或地板面之间所成的角度小于90°，在背屈中，脚的方向与地面或地板面之间所成的角度大于90°(参照图1)。
图3是表示步行动作中脚关节角度与脚关节的转矩之间的关系的图表的一例。在此，在与步行的地面或地板面垂直(即与地面或地板面之间成为90°的角度)的情况下，将脚关节角度定义为0°(中立)。因此，脚关节角度取正值的情况为背屈，取负值的情况为跖屈。如图3所示，从脚跟接地(1)到脚底平坦(2)，脚关节转矩几乎为0，但是伴随着背屈使体重向前方移动((2)～(3))，脚关节转矩的值(绝对值)増大，踢蹬地面或地板面(3)后，由于跖屈脚关节角度増大，脚关节转矩的值(绝对值)减小。
人通过脚的脚尖在将要从地面或地板面离开时以脚部踢蹬地面来前进。该动作被称为“推进(push off)”，如图3所示，推进时需要大能量。
图4是表示本发明所涉及的第一实施方式的辅助装置的主要结构的框图的一例。本实施方式的辅助装置1具备电机10、变速机构16、弹性部18、滑动曲柄20以及脚关节部24。滑动曲柄20包括杆22和曲柄21。杆22的一端与驱动部的缸90(参照图7A)的前端连结，杆22的另一端与曲柄21的一端连结。缸90收纳滚珠螺母72、跖屈弹簧181以及背屈弹簧182(参照图7A)。缸90与其盖92一起构成直线运动运动单元。曲柄21的另一端与脚关节部24的旋转轴(未图示)连结。通过直线运动运动单元的直线(滑动)运动，位于杆22的直线运动运动单元侧相反侧的另一端通过与曲柄21的连结来进行圆周运动。由此，曲柄21以脚关节部24的旋转轴(未图示)为中心旋转，其结果，进行脚部300的背屈、跖屈动作。辅助装置1的两端部中的电机10侧的端部与未图示的接受腔或膝义肢结合。
电机10与电池60(参照图8A)连接进行旋转运动。电机10经由变速机构16与滚珠丝杆70(参照图6)连接，由此，电机10的旋转运动被变换成直行运动。收纳滚珠丝杆70的滚珠螺母72的缸90与滑动曲柄20连接，其直行运动被变换成旋转运动。
脚关节部24与滑动曲柄20的曲柄21连接，由此滑动曲柄20的旋转运动被传递给脚关节部24，来实现脚部300的穿戴者的前进。脚关节部24在本实施方式中例如与“活动部”对应。
弹性部18配设在接受腔(未图示)与滑动曲柄20之间，缓和脚部300在地面或地板面着地时的冲击，并且蓄积其冲击力，当脚部300踢蹬地面或地板面时，释放蓄积的冲击力来对脚部300给与施力。
传感器SR1～SR3包括惯性计测传感器SR1、角度传感器SR2以及力传感器SR3。惯性计测传感器SR1通过检测辅助装置1的角速度以及加速度来检测辅助装置1的行进速度。角度传感器SR2检测脚部300的脚关节角度。力传感器SR3除了检测由于穿戴者对脚部300施加的体重而来自地面或地板面的力(反作用力)的大小，还通过检测脚部300的Y轴力矩，来检测脚部300的背面的旋转(扭曲)。传感器SR1～SR3与控制器50连接，将各种检测信号发送给控制器50。
控制器50与电机10、变速机构16以及制动器30连接，对从传感器SR1～SR3发送来的检测信号进行处理，来推定脚部300位于哪个步行周期，即位于站立相以及迈步相中的哪个位置。
制动器30按照从控制器50送来的控制信号，通过摩擦力对电机10的旋转进行制动。在本实施方式中，控制器50例如与“控制部”对应，制动器30例如与“制动部”对应。
并且，电机10按照从控制器50送来的控制信号，进行动作、停止或转速的变更等，从而进行从电机传递来的减速机构的转速调整。
(具体结构)
下面，针对本实施方式的辅助装置1的更具体结构，参照图5A至图8B来进行说明。
图5A是辅助装置1的立体图的一例，图5B是表示从图5A所示的辅助装置拆卸下壳体后的状态的具体结构的立体图的一例，图6A是沿着图5A的A-A线的截面图，图6B是表示从图5A所示的辅助装置拆卸下壳体后的状态的具体结构的主视图的一例，图7A是沿着图5A的B-B线的截面图，图7B表示从图7A的结构拆卸下壳体后的状态的结构的截面图。另外，图8A是表示从图5A所示的辅助装置拆卸下壳体后的状态的具体结构的左侧视图，图8B是从图8A所示的辅助装置拆卸下一部分后的结构状态的左侧视图。其中，在图8A中，为了能够识别控制基板，而设置了假想开口。
如图5A至图8B所示，辅助装置1通过设置在顶部的金字塔连接器能够与未图示的接受腔连结，另外通过在其底部设置的脚关节部24与脚部300能够连结地构成，由此就能够构成义肢。壳体210被配设成覆盖从金字塔连接器的一部分到滚珠丝杆支持板270(参照图8A，8B)的一部分，由此保护辅助装置1的要部免收与外部的接触和碰撞。
辅助装置1的具体结构如以下这样。
即，辅助装置1具备电机10、变速机构16、滚珠丝杆70、滑动曲柄20、脚关节部24、制动器30、控制器50、IMU(Inertial Measurement Unit)传感器501、绝对式编码器502以及力传感器SR3。
IMU传感器501是惯性计测传感器SR1的一个具体例，在本实施方式中，在控制器50上内置在控制基板CS上，通过检测辅助装置1的角速度以及加速度来检测辅助装置1的行进速度。
绝对式编码器502是角度传感器SR2的一个具体例，安装在脚关节部24上检测脚部300的脚关节角度。
力传感器SR3安装在辅助装置1的上部，检测义肢穿戴者对脚部300施加体重而来自地面或地板面的反作用力的大小。力传感器SR3另外还通过检测脚部300的Y轴力矩来检测脚部300的背面的旋转(扭曲)。
电机10被来自电池60的供电而驱动，经由变速机构16来使滚珠丝杆70沿着正反方向旋转。其中，无需在辅助装置自体中内置电池，例如还能够利用商用电源通过来自外部的供电来驱动电机10。滚珠丝杆70如图7所示，通过滚珠丝杆固定板274和滚珠丝杆支持板270上下固定。在本实施方式中，电机10、变速机构16以及滚珠丝杆70例如与“驱动部”对应。
制动器30在本实施方式中如图7所示，安装在电机10的旋转轴的上端(接受腔侧)，接受来自控制器50的指令信号而开启，从而以机械摩擦力来延缓电机10的动作。制动器30在本实施方式中例如与“制动部”对应。
滚珠螺母72的结构是，根据滚珠丝杆70的旋转，在直线方向、图7中为上下方向，进行往复运动。
弹性部18通过隔着与滚珠螺母72对应的位置而在上下配设的2个弹簧即跖屈弹簧181以及背屈弹簧182而构成。
线性引导件LG如图8A、8B所示，包括直线运动部73和固定部74，弹性部18构成为经由固定部74与直线运动部73连结而一体移动。
滑动曲柄20将直线运动单元的直线运动变换到旋转运动来旋转脚关节部24。
(动作)
下面，针对本实施方式的辅助装置1的动作，参照图9至图13来进行说明。
图9是本发明所涉及的第一实施方式的辅助装置的动作的说明图。纸面下侧的图表表示脚关节角度与步行周期的关系，横轴由站立相A和迈步相B构成，表示脚部300从着地准备的经过时间，纵轴表示脚关节部24的脚关节角度。如与图3关联已经说明的那样，脚关节角度的0°表示驱动部的滚珠丝杆70的直行运动的方向与地面或地板面成90°情况，该状态被定义为中立状态。在本实施方式中，站立相A例如与“第1相”对应，迈步相B例如与“第2相”对应。
站立相A根据步行阶段而区分为从站立相A1到站立相A4。站立相A1表示从着地准备到着地为止的从中立状态到跖屈的阶段，站立相A2在着地后从脚部300的后端(脚跟部分)朝向前端(脚掌部分)穿戴者开始将体重移动到脚部300的背面整体与地面G接触为止的阶段，即从跖屈到大致中立的状态为止的阶段。另外，站立相A3表示从大致中立的状态到移向背屈脚关节角度増加的阶段，站立相A4表示脚关节角度最大而脚部300踢蹬(push off)地面G后脚关节角度急剧减小进而脚部300的整体从地面G远离为止的阶段。
图10是水平步行的控制流程的概略图的一例。P4～P1与站立相A1对应，P1～P2与站立相A2对应，P2～P3与站立相A3对应，P3～P4与站立相A4对应。
控制器50通过对从绝对式编码器502、IMU传感器501以及力传感器SR3送来的检测信号进行处理，来推定脚部300位于哪个步行阶段，进行制动器30的开启和关闭。
首先，通过对来自力传感器SR3的检测信号进行处理来推定脚部300是位于站立相A还是位于迈步相B。该推定在本实施方式中例如与“第1阶段”对应。在能够推定为脚部300位于迈步相B(参照图10的P4)的情况下，如果根据来自绝对式编码器502的检测信号而脚关节角度为0°，则控制器50推定穿戴者进入了着地准备而对制动器30发送指令信号来启动制动器30。由此，利用制动器30的保持力，电机10不动作。从脚部300的脚跟部分接地到通过制动器的保持力，滚珠丝杆70的滚珠螺母72不活动，而通过穿戴者的体重施加来压缩跖屈弹簧181使得重力能量被蓄积到弹簧。由此，实现站立相A1的跖屈角度(参照图10的P1)。当进入站立相A2，则跖屈弹簧181释放伸长，脚关节角度回到中立状态(0°)。即便在站立相A3，通过制动器的保持力滚珠螺母72不活动，但是伴随着向前方的体重移动而背屈弹簧182压缩重力的能量被蓄积到弹簧182。由此，实现站立相A3的背屈角度(参照图10的P2)。
控制器50根据从绝对式编码器502、IMU传感器501以及力传感器SR3送来的检测信号的处理来推定脚部300是位于站立相A3的哪个阶段。更具体地，将来自力传感器SR3的Fz(F的垂直方向分量)的值、My(Y轴方向的力矩)的值、来自绝对式编码器502的脚关节角度的值与各个第1基准值进行比较，在3个值全部超过第1基准值的情况下推定为脚部300位于站立相A3的后半程。接着，控制器50在通过监视来自IMU传感器501的加速度的值而判定为脚部300前进的基础上，根据力传感器SR3的Fz的值，监视穿戴者是否施加了大的体重，根据绝对式编码器502的脚关节角度的值，监视背屈角度是否为最大，在分别超过第2基准值的时间点推定为脚部300进入站立相A4，对制动器30发送指令信号来关闭制动器30。由此，电机10恢复本来的旋转力，经由变速机构16、滚珠丝杆70以及滑动曲柄20，通过脚关节部24来产生大反作用力，接着跖屈弹簧181的释放(放开)的伸长力而接受大施力来辅助装置1前进(参照图10的P3)。
这样，检测脚部300与地面G的关系来控制制动器30的开启和关闭的动作在本实施方式中例如与“第2阶段”对应。
之后，经过最大的跖屈角度，脚部300进入迈步相B(参照图10的P4)变成中立状态后，通过来自控制器50的指令信号再次启动制动器。根据本实施方式，即便是小电机也能够在踢蹬时输出大功率，能量效率提高了。
如果提及针对本实施方式的辅助装置1的减速比，则滑动曲柄20的减速比如下述式这样。
Figure BDA0002676545840000071
在此，Nm是变速机构16的电机10侧滑轮的齿数，Nb是变速机构16的滚珠丝杆70侧滑轮的齿数，Lb是滚珠丝杆70的导程，R是脚关节部24的臂长，K是滑动曲柄20的减速系数。
滑动曲柄的减速系数K如下述这样表示。
Figure BDA0002676545840000072
在此，如图11所示那样，α是脚关节部24的臂与垂直方向的角度，β是垂直方向与杆22的角度。其中，在图11中，“FSEA”是来自驱动部的直线运动的力，“L”是滑动曲柄20的杆22的长度，“R”是脚关节部24的臂长度，“D”是从脚关节部24的中心的偏移量。减速系数K的影响导致的滑动曲柄的减速比的变化如图12的图表那样。因为存在滑动曲柄的减速系数K，所以减速比根据脚关节角度而増加，但是在没有K的情况下，减速比与脚关节角度没有关系，是恒定的。当对电机转矩乘以减速比时，就能够算出电机的关节部转矩。
图13是表示脚关节角度与电机对脚关节部的转矩之间的关系的图表的一例。在图13中，横轴表示脚关节部24的脚关节角度，纵轴表示1安培的电机电流的脚关节部转矩。如图13所示，图表描绘了平缓曲线，能够得到与理想的角度转矩接近的曲线。从这一方面也可以知晓，根据本实施方式的辅助装置1，能够以小电流输出到达图3的最大背屈的转矩。
这样，根据基于本实施方式的辅助装置，蓄积弹簧的自重能量，必要时与电机的输出一起来释放其能量，因此即便是小驱动部也能够输出大功率，能量效率提高。另外，能够机械性实现靠近人关节部的角度和转矩的关系，能够从电机减小必要的转矩，因此能够使得辅助装置自体小型化和轻量化。
(实验结果)
针对使用本实施方式1所涉及的辅助装置1的试验品而得到的实验结果，在以下进行说明。
图14以及15是表示横切线部位不同的二个人的下肢横切线者S1、S2穿戴辅助装置1的试验品在跑步机上步行时的样子的照片。下肢横切线者S1、S2分别是年龄25岁、30岁，身高180cm、170cm，体重60kg、63kg的男性，以时速4.5Km以及4Km在跑步机上步行，通过传感器来进行测定。图16以及图17是表示着地后为了增加脚与地面的接触面积而使脚关节角度分别进行4.5°以及5.5°附近的跖屈的结果的图表的示例。为了确保中立位置，电机角度几乎为0°，4.5°、5.5°附近的跖屈以基于跖屈弹簧自重而产生的弯曲来控制，这有助于脚跟接地时的冲击吸收。在最初跖屈后，从弹簧释放到脚关节角度变成中立为止，开始背屈。脚部在8°以及12°的最大背屈为止由于跖屈弹簧自重而产生的弯曲而背屈。最大背屈后，跖屈弹簧释放而回到中立位置。在该过程中电机的角度依然几乎为0°。到中立位置为止脚部进行第二次跖屈，则电机被使用于脚部推进，脚关节角度成为最大跖屈，电机角度也为最大。通过最大跖屈后的位置控制，来使得脚关节角度回到中立位置。
图18以及图19表示在站立相A1至A3之间电机电流非常小，站立相A4的最大跖屈中电机电流达到峰值。
图20以及图21是针对受试者S1、S2分别表示电机、弹簧所赋予的脚关节转矩和合计的脚关节部转矩的示例。尽管各受试者S1、S2的体重没有较大差异，但是因为弹簧转矩不同，所以脚关节部最大转矩完全不同。在各实验中，最大背屈分别为约8°以及约12°，因此弹簧转矩完全不同。电机所给与的脚关节部转矩因为图22所示的减速系数K而不同。在被施力的跖屈得到了更大转矩，这就意味着，与以往机构相比，因为降低了必要的电机转矩，该机构的可变减速比优良。图23以及图24分别表示在受试者S1、S2的实验中1个步行周期的转矩和角度的关系。需要留意在站立相A3，跖屈弹簧因受试者的体重而压缩，能量被蓄积在弹簧中，最大背屈后释放(放开)，通过最大背屈的跖屈弹簧来施加脚关节部的转矩。这就表示，通过背屈弹簧释放的能量在被施力的背屈中从电机要求的功率变弱，在该相中蓄积了系统能量。在临床上得到了反馈，通过试验品的反作用力推进能够帮助受试者更简单地前进。
(变形例)
在上述实施方式中，针对在电机10的旋转轴的两端的中上端(接受腔侧)安装制动器30为例进行了说明，但是制动器30的位置不限于此，例如如图25所示的辅助装置2所示，也能够安装在电机10的旋转轴的下端(脚部侧)。辅助装置2的其他结构与上述辅助装置1实质上相同，其控制方法以及动作效果也实质上相同，因此省略重复说明。
(2)第2实施方式
在上述实施方式中，作为电机10的制动部利用制动器30，以机械摩擦力减小了电机10的转速，但是作为电机10的制动单元不限于此，例如通过电机10的短路将电机旋转能量变换为电能，由此还存在对电机的旋转施加制动的方法。以下，列举具有这样结构的辅助装置的一个实施方式来进行说明。
图26是表示本发明所涉及的第二实施方式辅助装置3的主要结构的框图的一例。与图4的对比显而易见，本实施方式的辅助装置3在第1实施方式的辅助装置1的结构中，取代制动器30而具备路径切换部54。路径切换部54包括电阻R，设置在电机10与电池60之间，与控制器50连接，从控制器50送来控制信号在电机10与电池60之间切换连接/非连接。
图27以及28是表示路径切换部54的更具体结构的电路图。路径切换部54包括切换开关SW1、SW2和电阻R。不进行电机10的制动的情况(与第1实施方式的制动器关闭对应)下，如图27所示，切换开关SW1、SW2连接电机10和电池60，开放电阻R的两个端子与电机10的连接，来实现从电池60对电机10的供电。另一方面，在进行电机10的制动的情况(与第1实施方式的制动器开启对应)，如图28所示，开放电池60与电机10的连接而连接电阻R的两个端子和电机10。由此，电机10成为短路状态，电机10成为发电机，将切换时的旋转能量变换成电能，由此对电机10施加制动。电阻R的值能够根据必要的制动程度而任意决定。路径切换部54在本实施方式中例如与“切换部”对应。本实施方式的辅助装置3的其他结构、动作以及控制方式与图4所示的辅助装置1实质上相同，因此省略重复说明。
根据基于上述实施方式的辅助装置的控制方法，即便是小驱动部也能够输出大功率，能量效率提高。另外，能够实现与人接近的关节部的角度和转矩的关系，实现安全动作。
(3)第3实施方式
图29表示本发明所涉及的第三实施方式的辅助装置的主要结构示框图的一例。
在上述实施方式中，作为弹性部串联连接跖屈弹簧181以及背屈弹簧182，配置在变速机构与曲柄机构之间，例如缸90(图7A参照)内，通过这些弹簧来蓄积自重能量，必要时与电机输出一起来释放该能量从而辅助踢蹬。
然而，优选这样的弹簧施力越大越好。
本实施方式所示的辅助装置4除了缸90内的跖屈弹簧181以及背屈弹簧182以外，还具备在驱动部与脚部之间，例如驱动部与脚关节部之间与所述驱动部、曲柄机构并列设置的并列弹簧。
更具体地，为了覆盖脚关节部24而在脚部300上设置关节壳体310，在该关节壳体310的顶面和收纳驱动部的滚珠丝杆70的缸90的底面之间穿戴并列弹簧281。本实施方式的辅助装置4的其他结构与图4所示的辅助装置1实质相同。
作为并列弹簧281的材料，缸90内的跖屈弹簧181以及背屈弹簧182相同，也可以利用压缩和反作用力更为优良的材料。
根据本实施方式，通过这样将并列弹簧配置在脚部300与缸90之间，能够在步行动作中进一步得到施力，除了能够更平稳且安全步行之外，通过并行弹簧追加的施力能够相应地减小电机负载，能够进一步实现能量效率以及装置轻量化。
(变形例)
在图29所示的本实施方式中，列举了在缸90的底面与关节壳体310的顶面之间穿戴并列弹簧281的例子，但是作为并列弹簧的配置位置不限于此，例如也可以配置在关节壳体与脚部之间。
图30是表示本实施方式的一个变形例的框图的一例。该图所示的辅助装置5具备在脚关节部24与脚部300之间，更具体地，在关节壳体312与脚部300之间，配置与滑动曲柄20并列穿戴的并列弹簧282。本变形例的辅助装置5的其他结构与图4所示的辅助装置1实质上相同。
针对并列弹簧282的材料，并列弹簧281或跖屈弹簧181以及背屈弹簧182相同，也可以利用压缩、反作用力更为优良的材料。
通过在这样的位置配置并列弹簧282，与图29所示的辅助装置4同样地，能够在步行动作中进一步得到施力，能够更为平稳且安全步行，通过基于并行弹簧追加的施力能够相应地减小电机的负载，能够进一步实现能量效率以及装置的轻量化。
在本实施方式中，并列弹簧281、282例如与“第1并列弹簧”、“第2并列弹簧”分别对应，并且，双方例如与“第二弹性部件”对应。其中，缸90内的串联弹簧181、182，例如与“第一弹性部件”对应。
在本实施方式中，为了有助于容易理解，而针对了在第一个实施方式的结构中追加并列弹簧281或282的方式进行了说明，但是不限于此，例如针对变形例的辅助装置2、实施方式2的辅助装置3的结构也能够同样地追加并列弹簧281或282。
在此，需要注意，本发明所涉及的辅助装置不限于仅具备串联弹簧181、182的情况(上述辅助装置1～3)、以及具备串联弹簧181、182以及并列弹簧281或并列弹簧282的情况(本实施方式的辅助装置4、5)，也可以根据要求标准，在仅具备并列弹簧281、282的情况下，并且不具有串联弹簧181、182以及并列弹簧281、282中的任一个情况下均能够使用。
(4)比较实验
针对弹性部有无以及制动器有无的特性的区别，分别进行了比较实验。以下，参照图面进行说明。
(a)弹性部的有无
通过在跑步机上以3.5km/h步行实验取得具备上述实施方式的弹性部的情况和取代该弹性部，弹簧常数无限大即利用铝类型的情况的特性比较。作为特性，列举了最大电流量和脚关节角度来记录。
图31A表示取代弹簧等的弹性要素，利用铝类型的辅助装置的一例的实验结果，图31B表示利用了弹簧常数760N/mm的弹性部的辅助装置的一例。
通过两图的比较可以知晓，通过从铝类型变更到弹簧常数760N/mm的弹性部，借助弹性要素的能量蓄积和放出的效果，最大电流值从13.5A大幅改善到7A。并且，以图31B的箭头AR1、AR2所示那样，在具备弹性部的本实验例中，以约5°的跖屈来吸收来自对象物的冲击，约11度的背屈弹性部蓄积能量。
(b)制动器的有无
在图32A至图32C所示的本发明所涉及的辅助装置的实施方式中，验证与制动器有无对应的电流特性的变化的一个实验例的结果。图32A以及图32B表示与能动模式的制动器有无对应的电流特性的一个变化例，图32C表示存在制动器的情况下的受动模式的电流特性的一例。
通过图32A以及图32B的对比可以明了，在没有制动器的情况下，需要从电机引出保持力，因此即便在站立相也产生了能量消耗(参照箭头AR11)。
另一方面，在辅助装置具备制动器的情况下，因为从制动器得到了保持力，所以电机在站立相不动作(参照箭头AR12)。因此，在站立相没有能量消耗，相应地提高了能量效率，具有这样的优点。
并且，如图32C所示，在受动模式中，在辅助装置具备制动器的情况下，因为从制动器得到的保持力，自重力使得弹性部变形而在站立相实现了约5°的跖屈(箭头AR21)、约11度的背屈(箭头AR22)。这就意味着，即便使用途中电池耗尽了，如果切换到受动式也会无障碍地持续使用。这样，即便是能动式的义肢，通过具备制动器，通过从能动式向受动式的模式切换，因为能够一直使用，所以提供了包括实用性极度优良的混动义肢的辅助装置。
(5)动力骨骼
图33A以及图33B所示利用了本发明所涉及的辅助装置的实施方式的动力骨骼的一例。本例的动力骨骼400利用图4所示的实施方式的辅助装置1来实现。动力骨骼400除了包括电机10、制动器30、变速机构16、弹性部18、滑动曲柄20以及脚关节部24的辅助装置1之外，还具备：覆盖辅助装置1而保护其的壳体罩SC；在顶面支撑辅助装置1并且具有能够载置使用者鞋的尺寸的脚支撑件FS；以及用于将动力骨骼400固定在使用者脚腕的带部件BT。其中，为了使得装置结构的容易理解，而在图33A的侧视图中省略了壳体罩SC的描写。
这样，根据本实施例，利用上述实施方式的辅助装置，因此能够提供一种能量效率优良的轻量实用性高的动力骨骼。
在本例中，表示了使用图4所示的辅助装置1的示例，但是不限于此，利用其他任意实施方式的辅助装置也能够构成动力骨骼。
以上，针对本发明所涉及的辅助装置以及辅助方法的实施方式进行了说明，但是本发明不限于此，能够进行各种改良和变形来使用。例如，在上述实施方式中，列举了将本发明所涉及的辅助装置适用于义肢的情况为例来进行了说明，但是本发明不限于此，是进行辅助对象的关节动作的装置即可，除了义肢以外例如也可以在假手上安装使用。该情况下，例如壁、台阶等与“对象物”对应，将对其的抵接、按压作为管理参数，来对制动部的开启/关闭进行控制。
另外，在上述实施方式中，针对具备制动器30、路径切换部54等制动部的情况进行了说明，但是本发明不限于此，例如即便不具备制动部，只要具备惯性计测传感器SR1、角度传感器SR2以及力传感器SR3等传感器，和对来自这些传感器的检测信号进行处理的控制部，就能够推定对象物对活动部的接触/非接触以及接触中的移动阶段，因此通过将推定的信息反馈给穿戴者，能够充分助力于穿戴者容易地进行动作。
并且需要留意，制动部、上述传感器以及控制部以及弹性部不是必须的结构要件，即便在不具备这些结构的情况下，仅具备电机、驱动部以及所述驱动部与脚部之间设置的曲柄机构，就能够充分地实现安全步行、高能量效率以及装置轻量化。
【符号说明】
1、2、3、4、5…辅助装置；10，200…电机；16…变速机构；18…(第一)弹性部件；20…滑动曲柄(曲柄机构)；24…脚关节部；30…制动器；50…控制器；54…路径切换部；60…电池；70…滚珠丝杆；90…缸；181…跖屈弹簧；182…背屈弹簧；281…并列弹簧(第二弹性部件，第1并列弹簧)；281…并列弹簧(第二弹性部件，第2并列弹簧)；310，312…关节壳体；400…动力骨骼；501…IMU传感器(惯性计测传感器)；502…绝对式编码器(角度传感器)；BT…带部件；FS…脚支撑件；SR1…惯性计测传感器；SR2…角度传感器；SR3…力传感器；R…电阻；SC…壳体罩；SW1，SW2…开关。

Claims (11)

1.一种辅助装置，辅助下肢关节动作，其特征在于，具备：
驱动部，其包括电机和改变该电机的速度的变速机构，将所述电机的旋转运动变换为直线运动；
弹性部，其通过压缩来缓和经由脚部来自对象物的冲击，并且蓄积其冲击力或自重力，通过伸长释放蓄积的能量来施加用于动作辅助的施力；以及
曲柄机构，其设置在所述驱动部与脚部之间，一边根据脚关节角度来改变减速系数，一边将所述直线运动变换成旋转运动来传递给脚部。
2.根据权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，
还具备控制部，所述控制部推定在步行周期内使用者的移动状況，根据推定的移动状況来控制所述驱动部，由此来调整所述电机的转矩。
3.根据权利要求2所述的辅助装置，其特征在于，
还具备传感器，所述传感器检测该辅助装置与对象物的关系来输出信号，
所述控制部分析来自所述传感器的信号来推定所述移动状況。
4.根据权利要求3所述的辅助装置，其特征在于，还具备：
活动部，其将所述旋转运动传递给脚部，带来跖屈或背屈；以及
制动部，其对所述驱动部的运动进行制动，
所述传感器包括：
第1传感器，其检测角速度和加速度；
第2传感器，其检测所述活动部的旋转角度；以及
第3传感器，其检测来自所述对象物的反作用力，
所述控制部基于来自所述第1传感器至第3传感器的信号，来控制所述制动部。
5.根据权利要求4所述的辅助装置，其特征在于，
该辅助装置与所述对象物的关系包括位置关系，
所述控制部根据所述第3传感器的信号推定所述活动部是位于靠近所述对象物的第1相还是所述活动部位于从所述对象物远离的第2相，在推定为所述活动部位于所述第2相的情况下且根据来自所述第2传感器的信号所述旋转角度为0°时，所述制动部启动制动，在推定为所述活动部位于所述第1相的情况下且对来自所述第1传感器至第3传感器的信号进行处理而得到的第1值至第3值超过预定基准值的情况下，所述制动部关闭制动。
6.根据权利要求4或5所述的辅助装置，其特征在于，
所述制动部包括在所述电机的旋转轴的两端中的至少一端安装的制动器。
7.根据权利要求4或5所述的辅助装置，其特征在于，
所述制动部包括对电流向所述电机的供给和所述电机的短路进行切换的切换部，通过所述电机的短路来将旋转能量变换成电能，由此来降低所述电机的转速。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的辅助装置，其特征在于，
所述弹性部包括第一弹性部件和第二弹性部件中的至少任一个，
所述第一弹性部件设置在所述变速机构与所述曲柄机构之间，
所述第二弹性部件在所述驱动部与脚部之间，与所述曲柄机构并行设置。
9.根据权利要求8所述的辅助装置，其特征在于，
还包括脚关节部，所述脚关节部与所述曲柄机构连接，来将所述曲柄机构的旋转运动传递给脚部，
所述第二弹性部件包括设于所述驱动部与所述脚关节部之间的第1并列弹簧和设于所述脚关节部与所述脚部之间的第2并列弹簧中的至少任一个。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的辅助装置，其特征在于，
包括义肢，所述义肢具有主动式和被动式这2种模式，并且所述义肢是混动义肢，通过具备所述制动部，在使用途中电池耗尽的情况下，通过从主动式向被动式的模式切换，能够一直使用，实用性特别优良。
11.一种控制方法，是辅助下肢关节动作的辅助装置的控制方法，其特征在于，
所述辅助装置具备：
驱动部，其包括电机和改变该电机的速度的变速机构，将所述电机的旋转运动变换为直线运动；
弹性部，其通过压缩来缓和经由脚部来自对象物的冲击，并且蓄积其冲击力，通过伸长释放蓄积的能量来给与用于动作辅助的施力；以及
曲柄机构曲柄，其设于所述驱动部与脚部之间，一边根据脚关节角度来改变减速系数一边将所述直线运动变换给旋转运动来传递给脚部，
推定步行周期内使用者的移动状況，根据推定的移动状況来控制所述驱动部，由此调整所述电机的转矩，之外通过所述弹性部对能量的蓄积和放出来辅助步行。
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