CN115517919A - 膝盖动作辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抵抗作用在膝关节上的力的阻力的调节的自由度较高的膝盖动作辅助装置。该膝盖动作辅助装置被佩戴在用户的腿部上。该膝盖动作辅助装置具备：一对连杆，其以可转动的方式被连接在一起；检测部，其对一对连杆间的角度进行检测；阻尼器，其在腿部的膝关节的屈曲方向上给予阻力；调节部，其基于检测得到的所述一对连杆间的角度和由阻尼器产生的阻力的变化模式，从而对阻力进行调节。

Description

膝盖动作辅助装置

技术领域

本发明涉及一种膝盖动作辅助装置，特别是，涉及一种通过阻力的赋予从而对膝盖的动作进行辅助的膝盖动作辅助装置。

背景技术

作为这样的膝盖动作辅助装置的一个示例，具有日本特开2018-012148号公报中所公开的动作辅助用具。日本特开2018-012148号公报中所公开的动作辅助用具根据佩戴者是站立状态还是摆腿状态，从而调节对作用在膝关节上的力进行衰减的衰减力。

发明内容

本申请发明人等发现了以下的课题。

佩戴了膝盖动作辅助装置的用户分别处于各种各样的状态中。虽然膝盖动作辅助装置发挥了抵抗作用在膝关节上的力的阻力，但是该阻力的变化模式被限定为一个。因此，存在有该阻力的变化模式不适合用户的情况。因此，需求有一种能够以较高的自由度来实施该阻力的调节的膝盖动作辅助装置。

本发明鉴于上述的课题，以提供一种抵抗作用在膝关节上的力的阻力的调节的自由度较高的膝盖动作辅助装置为目的。

本发明所涉及的膝盖动作辅助装置为，被佩戴在用户的腿部上的膝盖动作辅助装置，其具备：

一对连杆，其以可转动的方式被连接在一起；

检测部，其对所述一对连杆间的角度进行检测；

阻尼器，其在所述腿部的膝关节的屈曲方向上给予阻力；

调节部，其基于所述检测得到的所述一对连杆间的角度和由所述阻尼器产生的阻力的变化模式，从而对所述阻力进行调节。

根据这样的结构，通过针对每个用户来设定阻力的变化模式，从而对由阻尼器产生的阻力进行调节。由此，能够以较高的自由度来对抵抗作用在膝关节上的力的阻力进行调节。

此外，也可以以如下内容为特征，即，所述调节部在被设定为步行模式的情况下，基于所述检测得到的所述一对连杆间的角度，从而对是处于站立期以及摆腿期中的哪一个进行判断，并基于所述阻力的变化模式，从而根据站立期以及摆腿期来对阻力进行调节，

所述站立期中的阻力的大小根据所述用户的希望来决定。

根据这样的结构，通过针对每个用户来设定站立期中的阻力的大小，从而对由阻尼器产生的阻力进行调节。由此，能够针对在站立期中所求得的阻力不同的每个用户而对阻力进行调节。

此外，也可以以如下内容为特征，即，所述调节部基于所述检测得到的所述一对连杆间的角度，从而对是处于站立期以及摆腿期中的哪一个进行判断，并基于所述阻力的变化模式，从而根据摆腿期、第一站立期以及第二站立期来对阻力进行调节，

所述摆腿期、所述第一站立期、以及所述第二站立期按照这个顺序而进行转变，

所述阻力在从所述摆腿期向所述第一站立期进行转变时增加，并在从所述第一站立期向所述第二站立期进行转变时增加。

根据这样的结构，阻力按照摆腿期、第一站立期、第二站立期的顺序而阶段性地增加。因此，由于在第一站立期中，没有给用户的膝盖带来由阻力的变化产生的冲击，因而没有给用户带来不适感。此外，在第二站立期中，将较高的阻力提供给用户的膝盖，从而对用户的膝盖进行稳固支撑。

此外，也可以以如下内容为特征，即，所述调节部基于所述检测得到的所述一对连杆间的角度，从而对是处于站立期以及摆腿期中的哪一个进行判断，并基于所述阻力的变化模式，从而根据摆腿期、第一站立期以及第二站立期来对阻力进行调节，

所述摆腿期、所述第一站立期、以及所述第二站立期按照这个顺序而进行转变，

所述阻力在从所述摆腿期向所述第一站立期进行转变时增加，并在从所述第一站立期向所述第二站立期进行转变时减少。

根据这样的结构，在从摆腿期转变至第一站立期时阻力增加，并在从第一站立期转变至第二站立期时阻力减少。因此，在第一站立期中，向用户的膝盖提供了较高的阻力，从而对用户的膝盖进行稳固支撑。此外，由于在第二站立期中，没有向用户的膝盖提供较大的阻力，因而不给用户带来不适感。

此外，也可以以如下内容为特征，即，所述调节部基于所述阻力的变化模式，从而以使阻力成为规定的值的方式来进行调节。

根据这样的结构，在用户想要就座时，由于会向膝盖提供固定的阻力，因此用户能够顺畅地实施就座。

本发明能够提供一种抵抗作用在膝关节上的力的阻力的调节的自由度较高的膝盖动作辅助装置。

本公开的上述与其他目的、特征和优点将从以下给出的详细叙述和仅以说明方式给出的附图中得到更充分的理解，因此不应被认为是对本公开的限制。

附图说明

图1为表示实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的立体图。

图2为表示实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的主视图。

图3为表示实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的侧视图。

图4为表示实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的主要部分的后视图。

图5为表示实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的控制系统的框图。

图6为表示实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的动作的一个示例的图。

图7为表示实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的动作的一个示例的图。

图8为表示实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的动作的一个示例的图。

图9为表示用户将膝盖动作辅助装置佩戴在自己的腿上的状态的图。

图10为表示阻力的变化模式的示例的曲线图。

图11为表示阻力的变化模式的示例的曲线图。

图12为表示阻力的变化模式的示例的曲线图。

图13为表示膝盖角度的图。

图14为表示大腿角度以及小腿角度的图。

图15为表示实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的一个改变例的侧视图。

具体实施方式

以下，关于适用于本发明的具体的实施方式，将在参照附图的同时详细地进行说明。但是，本发明并未被限定于以下的实施方式。此外，为了明确说明，以下的记载以及附图已被适当简化。

(实施方式1)

参照图1～图4来对实施方式1所涉及的膝盖动作辅助装置的结构进行说明。另外，很显然的是，在图1以及其它附图中所示出的右手坐标系XYZ坐标是为了便于说明结构要素的位置关系的坐标系统。通常而言，Z轴正向为铅直向上，XY平面为水平面，并且在附图间是共同的。

如图1所示那样，膝盖动作辅助装置100具备大腿侧连杆10、小腿侧连杆20。大腿侧连杆10的一端10a和小腿侧连杆20的一端20a以围绕旋转轴Y1轴而彼此能够转动的方式被机械性地连接在一起。小腿侧连杆20的一端20a具有凸轮形状。大腿侧连杆10和小腿侧连杆20的角度为，例如0(零)度以上、180度以下。当膝盖动作辅助装置100被佩戴在用户的腿部上时，大腿侧连杆10被安装在用户的腿部的大腿上，小腿侧连杆20被安装在用户的腿部的小腿上。

大腿侧连杆10或者小腿侧连杆20具备检测部12。检测部12为角度传感器，对大腿侧连杆10和小腿侧连杆20的角度进行检测。在膝盖动作辅助装置100被佩戴在用户的腿部上的情况下，大腿侧连杆10和小腿侧连杆20的角度相当于用户的膝盖角度θ。在此，用户的膝盖角度θ为，图13中所示出的在用户的大腿U1b的轴向上延伸的直线Z2和在小腿U1d的轴向上延伸的直线Z3交叉而成的角度。

检测部12将大腿侧连杆10和小腿侧连杆20的角度作为膝盖角度检测值而向控制装置6输出。膝盖角度检测值表示与步行循环相对应的波形。也就是说，膝盖角度检测值根据步行循环从而周期性地变化。

另外，在检测部12中，除了角度传感器以外，还可以具备惯性测量装置等。基于惯性测量装置以及角度传感器所检测出的值，从而能够求出小腿角度β或大腿角度γ。如图14所示那样，小腿角度β为，铅直线Z1和在小腿U1d的轴向上延伸的直线Z3交叉而成。此外，大腿角度γ为，铅直线Z1和在大腿U1b的轴向上延伸的直线Z2交叉而成。检测部12将小腿角度β或大腿角度γ向控制装置6进行输出。

大腿侧连杆10具备驱动部2、调节部3、阻尼器4、滚子5。驱动部2、调节部3、阻尼器4、以及滚子5从大腿侧连杆10的另一端10b起朝向一端10a而按照这个顺序被保持在大腿侧连杆10上。

小腿侧连杆20具备控制装置6。本实施方式所涉及的控制装置6被设置在小腿侧连杆20的一端20a和另一端20b之间。控制装置6以由CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、接口(I/F)等构成的微型计算机为中心而被硬件构成。CPU、ROM、RAM以及接口经由数据总线等而被彼此连接在一起。控制装置6取得阻力的变化模式以及用户的膝盖角度检测值。此外，控制装置6从检测部12中取得大腿侧连杆10和小腿侧连杆20的角度。

控制装置6能够基于检测部12所检测出的膝盖角度检测值等，从而对步行时期进行检测。步行时期具体而言为，一个步行周期中的站立期以及摆腿期。

控制装置6从未图示的通信终端通过BLE(Bluetooth(注册商标)Low Energy：低功耗蓝牙)等的通信手段而取得表示规定的阻力的变化模式的信号。此外，阻力的变化模式是多种多样的，关于它们的示例将在后文进行叙述。控制装置6基于阻力的变化模式以及膝盖角度检测值，从而生成阻力控制信号。控制装置6使用有线通信或者无线通信，从而将该生成的阻力控制信号向驱动部2进行发送。另外，控制装置6也可以适当取得铅直线和小腿侧连杆20的角度(小腿角度)、或铅直线和大腿侧连杆10的角度(大腿角度)。

驱动部2基于来自控制装置6的阻力控制信号从而给予调节部3旋转动力。驱动部2例如具备电机以及驱动器。另外，驱动部2也可以被设置在大腿侧连杆10的另一端10b的侧方处，并经由齿轮或带轮而给予调节部3旋转动力。

调节部3基于来自驱动部2的旋转动力，从而对由阻尼器4产生的阻力F进行调节。具体而言，调节部3接受驱动部2的旋转动力，并使阻尼器4内的阻尼液的流道的截面面积连续地变化。

在此，将表示阻尼器4的阻力F、阻尼系数k、和阻尼液通过该流道的速度v的关系的式1在下文中予以示出。

F＝kv…(式1)

因此，如果阻尼器4内的阻尼液的流道的截面面积减小，则阻尼系数k会增加，其结果为，由阻尼器4产生的阻力F增加。由此，调节部3基于阻力F的变化模式以及膝盖角度检测值，从而对由阻尼器4产生的阻力F进行调节。另外，调节部3也可以多阶段地对阻尼器4内的阻尼液的流道的截面面积进行调节，并且阶段的数量没有被特别限定。

阻尼器4经由滚子5，从而将阻力F向小腿侧连杆20传递。阻尼器4具备杆4a以及弹簧40。杆4a以及弹簧40被夹在大腿侧连杆10的阻尼器保持部10c和滚子5之间。滚子5被设置为，在阻尼器4和小腿侧连杆20的一端20a之间能够进行旋转并且能够在大腿侧连杆10的轴向(Z轴向)上移动。

(控制系统的一个示例)

接下来，参照图5，对膝盖动作辅助装置100的控制系统的一个示例进行说明。

如图5所示那样，控制装置6具备接收部61、运算装置62、存储器63。运算装置62为，例如实施运算处理、控制处理等的CPU等。存储器63为，存储有通过运算装置62而被执行的运算程序、控制程序等的、对各种数据等进行存储的RAM等。

通信终端7向用户示出可选择的阻力变化模式，并且接受表示用户所选择的阻力变化模式的输入。在此，通信终端7所示出的阻力变化模式例如，可以为步行模式、就座模式。通信终端7例如为智能手机。

接收部61从检测部12接收膝盖角度检测值、从通信终端7接收阻力变化模式。

运算装置62基于接收部61所接收到的膝盖角度检测值和阻力变化模式，从而生成阻力控制信号。阻力控制信号表示相对于时间的、阻尼器4的阻力的变化。运算装置62经由规定的接口而将阻力控制信号向驱动部2送出。

驱动部2取得运算装置62所生成的阻力控制信号，并给予调节部3驱动力。调节部3基于被给予的驱动力，从而对阻尼器4内的阻尼液流道截面面积进行调节。由此，阻尼器4内的阻尼液流道的截面面积发生变化，从而由阻尼器4产生的阻力发生变化。

(一个动作例)

接下来，参照图3、图4、以及图6～图8，对膝盖动作辅助装置100的一个动作例进行说明。

如图3、图4以及图6所示那样，在膝盖动作辅助装置100中，在大腿侧连杆10和小腿侧连杆20之间的角度为大致180度的情况下，大腿侧连杆10和滚子5保持规定的距离L1。由此，由于阻尼器4以及弹簧40从大腿侧连杆10和滚子5处承受规定的力，因此保持规定的长度。弹簧40保持与距离L1相同的长度。

如图7以及图8所示那样，在膝盖动作辅助装置100中，使小腿侧连杆20相对于大腿侧连杆10而仅屈曲角度α量。于是，具有凸轮形状的小腿侧连杆20的一端20a将上推滚子5。由此，滚子5会接近大腿侧连杆10，从而使滚子5和大腿侧连杆10的距离从距离L1缩短至距离L2。并且，滚子5将阻尼器4的杆4a以及弹簧40上推，从而使阻尼器4从大腿侧连杆10和滚子5处受力并被压缩。因此，弹簧40缩短至成为与距离L2相同的长度。另一方面，小腿侧连杆20经由滚子5而从阻尼器4处承受反作用力。由此，小腿侧连杆20通过阻尼器4，从而承受抵抗小腿侧连杆20的屈曲的阻力。

(使用方法)

接下来，参照图9，对用户将膝盖动作辅助装置佩戴在自己的腿上的状态进行说明。

图9所示的膝盖动作辅助装置300除了膝盖动作辅助装置100以外，还具备外壳200、基部211、213、带212、214。外壳200对膝盖动作辅助装置100进行收纳。带212经由基部211而被设置在外壳200的上部侧面上。带214经由基部213而被设置在外壳200的下部侧面上。

使用带212而将用户U1的腿部U1a的大腿U1b系紧，并且使用带214而将用户U1的腿部U1a的小腿U1d系紧。于是，能够将膝盖动作辅助装置100佩戴在用户U1的腿部U1a上。在此，用户U1的膝关节U1c位于带212和带214之间。

(阻力的变化模式1)

接下来，参照图10，对由阻尼器4产生的阻力的变化模式的示例进行说明。

如图10所示那样，存在阻力的变化模式P1、P2。当用户在步行动作的站立期中要求较高的阻力F的情况下，该用户最好选择阻力的变化模式P1。此外，当用户在步行动作的站立期中要求较低的阻力F的情况下，该用户最好选择阻力的变化模式P2。

在阻力的变化模式P1中，从摆腿期的开始时间点t1起到站立期的开始时间点t2紧前为止，维持阻力值F1。接下来，从站立期的开始时间点t2紧前起到站立期的开始时间点t2为止，使阻力增加至阻力值F21。接下来，在站立期的开始时间点t2以后，维持阻力值F21。由此，根据摆腿期以及站立期而使阻力变化。

在阻力的变化模式P2中，从摆腿期的开始时间点t1起到站立期的开始时间点t2紧前为止，维持阻力值F1。接下来，从站立期的开始时间点t2紧前起到站立期的开始时间点t2为止，使阻力增加至阻力值F22。接下来，在站立期的开始时间点t2以后，维持阻力值F22。由此，根据摆腿期以及站立期而使阻力变化。

阻力的变化模式P1的阻力值F21与阻力的变化模式P2的阻力值F22相比较而较大。因此，阻力的变化模式P1与阻力的变化模式P2相比较，适合于在站立期的开始时间点t2以后要求较高的阻力F的用户。另一方面，阻力的变化模式P2与阻力的变化模式P1相比较，适合于在站立期的开始时间点t2以后要求较低的阻力F的用户。通过对阻力的变化模式P1或者P2进行选择，从而能够针对每个用户来对由阻尼器4产生的阻力进行调节。

(阻力的变化模式2)

接下来，参照图11，对由阻尼器4产生的阻力的变化模式的另一示例进行说明。

如图11所示那样，存在阻力的变化模式P21、P22、P23。

在阻力的变化模式P21中，从摆腿期的开始时间点t1起到站立期的开始时间点t2紧前为止，维持阻力值F1。接下来，从站立期的开始时间点t2紧前起到站立期的开始时间点t2为止，使阻力增加至阻力值F2。接下来，在从站立期的开始时间点t2起经过了规定的期间之后，使阻力降低至阻力值F3，并维持阻力值F3。也可以将从站立期的开始时间点t2起到经过规定的时间之前称为“第一站立期”，并将第一站立期经过之后直至站立期的结束时间点为止称为“第二站立期”。

紧跟在站立期的开始时间点t2之后，具有在站立期中容易产生用户的屈膝的倾向。在阻力的变化模式P21中，由于在站立期的开始时间点t2以后，维持阻力值F2，因此在容易产生用户的屈膝的时期中，阻尼器4以阻力值F2来对用户的膝盖进行支撑。此外，由于在从站立期的开始时间点t2起经过规定的期间之后，阻力值F3降低，因此在成为不易产生用户的屈膝的时期中，阻尼器4会以较小的阻力值F2来对用户的膝盖进行支撑。由此，能够抑制由对膝盖的阻力产生的给用户带来的不适感。

在阻力的变化模式P22中，从摆腿期的开始时间点t1起到站立期的开始时间点t2紧前为止，维持阻力值F1。接下来，从站立期的开始时间点t2紧前起到站立期的开始时间点t2为止使阻力增加至阻力值F23。接下来，在站立期的开始时间点t2以后，维持阻力值F23。接下来，在从站立期的开始时间点t2起经过规定的期间之后，使阻力增加至阻力值F2，并维持阻力值F2。

在阻力的变化模式P22中，由于阶段性地提高站立期中的阻力值，因此阻力值的变化较小。因此，不易使用户感觉到由阻力值产生的变化。用户能够在不怎么感觉到由阻力值产生的变化的条件下进行步行。

阻力的变化模式P23被使用在用户选择了就座模式的情况下。在阻力的变化模式P23中，在从摆腿期的开始时间点t1起经过站立期的开始时间点t2而到站立期的结束时间点为止，维持阻力值F4。

在用户就座的情况下，阻尼器4在摆腿期以及站立期的整个期间内，保持固定的阻力值F4。由此，即使用户容易屈膝，由阻尼器4产生的阻力也会对用户的膝盖进行支撑。对用户的屈膝进行抑制，从而使用户的就座变得顺畅。因此，阻力的变化模式P23适合于用户就座的情况。

(阻力的变化模式3)

接下来，参照图12，对由阻尼器4产生的阻力的变化模式的又一示例进行说明。

在图12所示的阻力的变化模式P3中，当膝盖角度θ(参照图13)成为规定的角度以上时，阻力发生变化。具体而言，阻力F在膝盖角度θ从0(零)度起增加时，一直增加至阻力值F51为止，之后，直到膝盖角度θ到大致90度为止，而维持阻力值F51。进一步地，阻力F在膝盖角度θ达到90度时，从阻力值F51降低至阻力值F52。另外，虽然在图12所示出的阻力的变化模式P3中，将90度设定作为阈值，但也可以在更宽广的范围内选择阈值。

在用户正常地进行步行的情况下，膝盖角度θ大多为90度以上且小于180度。在这种情况下，由阻尼器4产生的阻力F以阻力值F52来对用户的膝盖进行支撑。此外，在用户的步行中发生了异常的情况下，存在有例如发生了屈膝等而使膝盖角度θ降低至小于90度的情况。在这种情况下，当膝盖角度θ变得小于90度时，由阻尼器4产生的阻力F会增大至阻力值F51。因此，能够以较大的阻力来对用户的膝盖进行支撑，以使膝盖角度θ成为90度以上。因此，即使在用户的步行中发生了异常的情况下，膝盖角度θ也能够维持至少90度，从而阻力的变化模式P3较为优选。

另外，本发明并未被限定于上述实施方式，在不脱离主旨的范围内能够适当地进行变更。此外，本发明也可以对上述实施方式或其一个示例进行适当组合从而实施。

例如，虽然在上述实施方式1中，大腿侧连杆10具备驱动部2、调节部3、阻尼器4、滚子5，并且小腿侧连杆20具备控制装置6，但也可以为大腿侧连杆10具备驱动部2、调节部3、阻尼器4、滚子5、以及控制装置6中的至少一个，而小腿侧连杆20具备其余部件。

此外，虽然如图7以及图8所示那样，在膝盖动作辅助装置100中，大腿侧连杆10具备滚子5，但也可以为小腿侧连杆20具备滚子5。图15中所示出的膝盖动作辅助装置101为，图1中所示出的膝盖动作辅助装置100的一个改变例。膝盖动作辅助装置101的小腿侧连杆20具备滚子5。滚子5以能够转动的方式被设置在小腿侧连杆20的一端20a上。使小腿侧连杆20围绕旋转轴Y2而朝向纸面以顺时针旋转的方式进行旋转。于是，滚子5经由块8而将阻尼器4的杆4a上推。由阻尼器4产生的阻力被发挥作用，从而给小腿侧连杆20的转动提供抵抗。膝盖动作辅助装置101与膝盖动作辅助装置100同样地，提供由阻尼器4产生的阻力。

从如此所述的公开中，显而易见的是，本公开的实施例可以以多种方式变化。此类变化不应被视为背离本公开的主旨和范围，并且对于本领域技术人员来说显而易见的所有此类修改主旨均被包含在所附权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种膝盖动作辅助装置，其被佩戴在用户的腿部上，所述膝盖动作辅助装置具备：

一对连杆，其以可转动的方式被连接在一起；

检测部，其对所述一对连杆间的角度进行检测；

阻尼器，其在所述腿部的膝关节的屈曲方向上给予阻力；

调节部，其基于所述检测得到的所述一对连杆间的角度和由所述阻尼器产生的阻力的变化模式，从而对所述阻力进行调节。

2.如权利要求1所述的膝盖动作辅助装置，其特征在于，

所述调节部在被设定为步行模式的情况下，基于所述检测得到的所述一对连杆间的角度，从而对是处于站立期以及摆腿期中的哪一个进行判断，并基于所述阻力的变化模式，从而根据站立期以及摆腿期来对阻力进行调节，

所述站立期中的阻力的大小根据所述用户的希望来决定。

3.如权利要求1所述的膝盖动作辅助装置，其特征在于，

所述调节部基于所述检测得到的所述一对连杆间的角度，从而对是处于站立期以及摆腿期中的哪一个进行判断，并基于所述阻力的变化模式，从而根据摆腿期、第一站立期以及第二站立期来对阻力进行调节，

所述摆腿期、所述第一站立期、以及所述第二站立期按照这个顺序而进行转变，

所述阻力在从所述摆腿期向所述第一站立期进行转变时增加，并在从所述第一站立期向所述第二站立期进行转变时增加。

4.如权利要求1所述的膝盖动作辅助装置，其特征在于，

所述调节部基于所述检测得到的所述一对连杆间的角度，从而对是处于站立期以及摆腿期中的哪一个进行判断，并基于所述阻力的变化模式，从而根据摆腿期、第一站立期以及第二站立期来对阻力进行调节，

所述摆腿期、所述第一站立期、以及所述第二站立期按照这个顺序而进行转变，

所述阻力在从所述摆腿期向所述第一站立期进行转变时增加，并在从所述第一站立期向所述第二站立期进行转变时减少。

5.如权利要求1所述的膝盖动作辅助装置，其特征在于，

所述调节部基于所述阻力的变化模式，从而以使阻力成为规定的值的方式来进行调节。

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