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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bewegungsassistenzvorrichtung, die die Bewegung eines Gelenks eines Benutzers unterstützt.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Bisher hat es eine Bewegungsassistenzvorrichtung gegeben, die versehen ist mit einer ersten Orthose zum Anbringen an einem Abschnitt einer Seite eines Gelenks eines Benutzers, einer zweiten Orthose zum Anbringen an einem Abschnitt an der anderen Seite des Gelenks des Benutzers, einem ersten Rahmen, der mit der ersten Orthose verbunden ist, einem zweiten Rahmen, der mit der zweiten Orthose verbunden ist, und einem Antriebsmechanismus, der die relativen Positionen des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens ändert. Mittels der Rahmen und der Orthosen wird durch die Antriebskraft von dem Antriebsmechanismus an den Körper des Benutzers eine Kraft angelegt, um hierdurch die Bewegung des Gelenks des Benutzers zu unterstützen.
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Als dieser Typ von Bewegungsassistenzvorrichtung ist eine Bewegungsassistenzvorrichtung bekannt, die dazu ausgelegt ist, die elastische Kraft einer in einem Antriebsmechanismus eingebauten Schraubenfeder in eine Antriebskraft umzuwandeln und die Antriebskraft auf einen am Oberschenkel gesicherten ersten Rahmen oder auf einen am Unterschenkel gesicherten zweiten Rahmen zu übertragen, um hierdurch die Bewegung vom Knie des Benutzers zu unterstützen (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
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Die Bewegungsassistenzvorrichtung, die ein elastisches Element, wie etwa eine Schraubenfeder als Antriebsquelle verwendet, wie etwa die im Patentdokument 1 beschriebene Bewegungsassistenzvorrichtung, erfordert weniger Kraft und eine einfachere Steuereinheit, um hierdurch Vorteile wie etwa geringeres Gewicht und längere Betriebszeit zu bekommen, im Vergleich zu einer Bewegungsassistenzvorrichtung, die einen Aktuator oder dergleichen als die Antriebsquelle verwendet.
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Hingegen legt die Bewegungsassistenzvorrichtung, die ein elastisches Element wie etwa eine Schraubenfeder als ihre Antriebsquelle verwendet, die Antriebskraft fortdauernd immer an, wenn der Benutzer eine vorbestimmte Haltung einnimmt, was zu einem Problem führt, dass der Benutzer Schwierigkeiten hat, einen vorbestimmten Zustand beizubehalten, und ein Versuch, den vorbestimmten Zustand beizubehalten, erfordert, dass der Benutzer der angelegten Kraft wiedersteht.
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Insbesondere wenn zum Beispiel die Bewegungsassistenzvorrichtung dazu ausgelegt ist, eine elastische Kraft zu speichern, wenn ein Benutzer in die Hocke geht, und die gespeicherte elastische Kraft zu lösen, um hierdurch die Aufstehbewegung des Benutzers zu unterstützen, dann wird der Benutzer fortlaufend einer Kraft von der Bewegungsassistenzvorrichtung in der Aufstehrichtung ausgesetzt. Dies hat zu einem Problem geführt, dass der Benutzer Schwierigkeiten hat, den hockenden Zustand beizubehalten (zum Beispiel einen Zustand, in dem der Benutzer auf einem Stuhl sitzt).
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Daher ist die im Patentdokument 1 beschriebene Bewegungsassistenzvorrichtung mit einem Mechanismus versehen, der es zu einer beliebigen vom Benutzer gewünschten Zeitgebung ermöglicht, die elastische Kraft, die in der Schraubenfeder gespeichert ist, zu lösen, ohne die elastische Kraft auf einen Rahmen zu übertragen. Dies macht es möglich, dass die in Patentdokument 1 beschriebene Bewegungsassistenzvorrichtung den Zustand einnimmt, in dem eine Kraft angelegt wird, auch wenn der Benutzer in einer Haltung ist, in der ansonsten eine Kraft von dem Benutzer angelegt würde, um seine Bewegung zu unterstützen.
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Patentdokument 1:
Japanische Patentanmeldung-Offenlegung Nr. 2015-080621 -
Jedoch hat die in Patentdokument 1 beschriebene Bewegungsassistenzvorrichtung zu einem Problem geführt, dass, sobald die elastische Kraft gelöst wird, die elastische Kraft nicht gespeichert werden kann, um eine Bewegung zu unterstützen, solange nicht eine Bedienung durchgeführt wird, um es möglich zu machen, die elastische Kraft erneut zu speichern.
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Aus diesem Grund hat es in der in Patentdokument 1 beschriebenen herkömmlichen Bewegungsassistenzvorrichtung ein Problem darin gegeben, dass die Vorrichtung nicht in der Lage ist, eine Bewegung zu einer geeigneten Zeitgebung in einer Gebrauchsumgebung zu unterstützen, die ein häufiges Umschalten zwischen einem Zustand, in dem die Unterstützung einer Bewegung erforderlich ist, und einem Zustand, in dem die Unterstützung einer Bewegung nicht erforderlich ist, beinhaltet.
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Wenn hingegen ein Aktuator oder dergleichen als die Antriebsquelle verwendet wird, dann kann die Unterstützung einer Bewegung leicht zu einer geeigneten Zeitgebung auch in der vorstehenden Gebrauchsumgebung durchgeführt werden. Wie oben beschrieben hat jedoch eine Bewegungsassistenzvorrichtung, die einen Aktuator oder dergleichen als die Antriebsquelle verwendet, ein Problem von höherem Gewicht und kürzerer Betriebszeit aufgezeigt.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf den oben beschriebenen Hintergrund gemacht worden, und Aufgabe der Erfindung ist es, eine leichtgewichtige Bewegungsassistenzvorrichtung anzugeben, die eine ausreichend lange Betriebszeit hat, und die in der Lage ist, eine Bewegung zu einer geeigneten Zeitgebung zu unterstützen.
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Hierzu ist eine Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine solche Bewegungsassistenzvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Bewegung eines Gelenks eines Benutzers zu unterstützen, wobei sie enthält: eine erste Orthose, die dazu ausgelegt ist, an einem Abschnitt an einer Seite des Gelenks des Benutzers angebracht zu werden; eine zweite Orthose, die dazu ausgelegt ist, an einem Abschnitt an der anderen Seite des Gelenks des Benutzers angebracht zu werden; einen ersten Rahmen, der mit der ersten Orthose verbunden ist; einen zweiten Rahmen, der mit der zweiten Orthose verbunden ist und dessen relative Position in Bezug auf den ersten Rahmen geändert werden kann; einen Antriebsmechanismus, der eine Antriebskraft auf den ersten Rahmen oder den zweiten Rahmen überträgt, um die relativen Positionen des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens zu verändern, um hierdurch eine Kraft an den Körper des Benutzers durch die erste Orthose und die zweite Orthose derart anzulegen, dass das Gelenk in einem vorbestimmten Zustand ist; eine Haltungserfassungseinheit, die eine Haltung des Benutzers erfasst; und eine Steuereinheit, die den Antriebsmechanismus steuert/regelt, wobei der Antriebsmechanismus ein elastisches Element aufweist, das an einem des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens gesichert ist, sowie einen Übertragungsmechanismus, der eine von dem elastischen Element übertragene elastische Kraft in die Antriebskraft umwandelt und die Antriebskraft auf den anderen des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens überträgt, wobei das elastische Element die elastische Kraft in einem Fall speichert, in dem die Haltung des Benutzers zu einer ersten Haltung wird, und die elastische Kraft in einem Fall freisetzt, in dem die Haltung des Benutzers zu einer zweiten Haltung wird, wobei der Getriebemechanismus umschaltbar ist zwischen einem Übertragungsmodus, in dem die elastische Kraft gespeichert wird, wenn sich das Gelenk bewegt, oder die Antriebskraft übertragen wird, um das Gelenk zu dem vorbestimmten Zustand zu bewegen, wenn die elastische Kraft freigesetzt wird, und einem Nichtübertragungsmodus, in dem die gespeicherte elastische Kraft beibehalten wird und das Gelenk frei bewegt werden kann, ohne die Antriebskraft zu übertragen, und wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um den Getriebemechanismus automatisch zu dem Nichtübertragungsmodus in einem Fall zu schalten, in dem ein vorbestimmtes Auslöseereignis erkannt wird, nachdem die Haltung des Benutzers zur ersten Haltung und bevor die Haltung des Benutzers zur zweiten Haltung wird.
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Somit verwendet die Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein elastisches Element als seine Antriebsquelle. Daher benötigt die Bewegungsassistenzvorrichtung weniger Energie und eine einfachere Steuereinheit, so dass die Bewegungsassistenzvorrichtung ein geringeres Gewicht und eine längere Betriebszeit hat, im Vergleich zu einer Bewegungsassistenzvorrichtung, die einen Aktuator oder dergleichen als seine Antriebsquelle verwendet.
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Ferner kann die Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umgeschaltet werden zwischen einem Übertragungsmodus, in dem eine Bewegung unterstützt wird oder eine elastische Kraft gespeichert wird, und einem Nichtübertragungsmodus, in dem eine gespeicherte elastische Kraft beibehalten wird (d.h. eine Bewegungsunterstützung) und ein Gelenk frei bewegt werden kann. Das Umschalten zwischen den Modi erfolgt automatisch, wenn die Steuereinheit ein vorbestimmtes Auslöseereignis auf der Basis der vom Haltungssensor detektierten Haltung des Benutzers erkennt.
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Somit kann die Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Bewegung zu einer geeigneten Zeitgebung unterstützen, ohne dass vom Benutzer eine spezielle Bedienung durchgeführt werden muss, und zwar auch in einer Gebrauchsumgebung, die das häufige Umschalten zwischen dem Modus, in dem die Unterstützung einer Bewegung erforderlich ist, und dem Modus, in dem die Unterstützung einer Bewegung nicht erforderlich ist, beinhaltet.
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Ferner kann die Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung derart konfiguriert sein, dass das Gelenk ein Kniegelenk ist, die erste Orthose zum Anbringen an einem Oberschenkel des Benutzers ausgelegt ist, die zweite Orthose zum Anbringen an einem Unterschenkel des Benutzers ausgelegt ist, die erste Haltung eine Haltung ist, in der der Benutzer seine Knie beugt, und die zweite Haltung eine Haltung ist, in der der Benutzer aufrecht steht.
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Ferner kann die Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung derart konfiguriert sein, dass der Getriebemechanismus ein Chassis, einen Planetenradmechanismus mit einer Mehrzahl von Elementen, die in dem Chassis drehbar sind, sowie einen Eingriffsmechanismus aufweist, wobei die Mehrzahl von Elementen ein Eingangselement, das mit einer der ersten Orthose und der zweiten Orthose durch das elastische Element verbunden ist, ein Ausgangselement, das mit der anderen der ersten Orthose und der zweiten Orthose verbunden ist, und ein befestigtes Element enthalten, und wobei der Eingriffsmechanismus einen Zustand des Eingangselements von einem drehbaren Zustand zu einem fixierten Zustand gemäß einem Signal von der Steuereinheit umschaltet, und auch einen Zustand des fixierten Elements von einem fixierten Zustand zu einem drehbaren Zustand umschaltet, um hierdurch den Antriebsmechanismus von dem Übertragungsmodus zu dem Nichtübertragungsmodus umzuschalten, den Zustand des Eingangselements von dem fixierten Zustand zu dem drehbaren Zustand umschaltet und den Zustand des fixierten Elements von dem drehbaren Zustand zu dem fixierten Zustand umschaltet, um hierdurch den Antriebsmechanismus vom Nichtübertragungsmodus zum Übertragungsmodus umzuschalten.
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Wenn ferner ein Planetenradmechanismus als der Getriebemechanismus verwendet wird, dann kann die Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung derart konfiguriert sein, dass das Eingangselement ein Sonnenrad ist, das Ausgangselement ein Ringrad ist, und das fixierte Element ein Träger ist.
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Wenn ferner in der Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Planetenradmechanismus als Getriebemechanismus verwendet wird, und wenn ein Eingangselement aus einem Sonnenrad aufgebaut ist und ein Ausgangselement aus einem Ringrad aufgebaut ist und ein fixiertes Element aus einem Träger aufgebaut ist, dann schaltet, gemäß einem Signal von der Steuereinheit, der Eingriffsmechanismus den Träger von einem drehbaren Zustand zu einem fixierten Zustand um, und schaltet auch das Sonnenrad von einem fixierten Zustand zu einem drehbaren Zustand um, so dass eine Kraft von dem Gelenk auf das elastische Element übertragen wird und die elastische Kraft in dem elastischen Element gespeichert wird, um hierdurch den Antriebsmechanismus vom Nichtübertragungsmodus zum Übertragungsmodus umzuschalten, in dem die elastische Kraft gespeichert wird, wenn sich das Gelenk bewegt.
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Wenn ferner in der Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Planetenradmechanismus als Getriebemechanismus verwendet wird, und wenn ein Eingangselement aus einem Sonnenrad aufgebaut ist, ein Ausgangselement aus einem Ringrad aufgebaut ist und ein fixiertes Element aus einem Träger aufgebaut ist, dann schaltet, gemäß einem Signal von der Steuereinheit, der Eingriffsmechanismus den Träger von einem drehbaren Zustand zu einem fixierten Zustand um und schaltet auch das Sonnenrad von einem fixierten Zustand zu einem drehbaren Zustand um, so dass die elastische Kraft von dem elastischen Element freigesetzt wird und die auf der elastischen Kraft basierende Antriebskraft auf das Gelenk übertragen wird, um hierdurch den Antriebsmechanismus vom Nichtübertragungsmodus zum Übertragungsmodus umzuschalten, in dem die Antriebskraft übertragen wird, wenn die elastische Kraft freigesetzt wird, um das Gelenk so zu bewegen, dass es einen vorbestimmten Zustand einnimmt.
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Bevorzugt enthält die Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Steuermoduswählschalter, und die Steuereinheit ist konfiguriert, um bei Empfang eines Signals von dem Steuermoduswählschalter zwischen dem Übertragungsmodus und dem Nichtübertragungsmodus umzuschalten.
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Somit macht es die Anordnung, die das manuelle Umschalten zwischen dem Übertragungsmodus und dem Nichtübertragungsmodus erlaubt, möglich, eine Bewegung zu einer noch geeigneteren Zeitgebung zu unterstützen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Erläuterungsdiagramm, das schematisch die Konfiguration einer Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß einer Ausführung darstellt;
- 2 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration eines Planetenradmechanismus eines Antriebsmechanismus der Bewegungsassistenzvorrichtung in 1 darstellt;
- 3 ist eine Tabelle, die den Zustand jedes Elements des Planetenradmechanismus in jedem Modus des Antriebsmechanismus der Modusassistenzvorrichtung in 1 darstellt;
- 4 ist ein Flussdiagramm, das eine Schaltprozedur einer Antriebskraft darstellt, die von einer Steuereinheit der Bewegungsassistenzvorrichtung in 1 durchgeführt wird; und
- 5A bis 5E zeigen schematische Diagramme, die die Haltungen eines Benutzers in den einzelnen Schritten seiner Bewegung darstellt, wobei der Benutzer die Bewegungsassistenzvorrichtung in 1 trägt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Nachfolgend wird eine Ausführung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Zuerst wird in Bezug auf 1 und 2 die schematische Konfiguration einer Bewegungsassistenzvorrichtung A beschrieben.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Bewegungsassistenzvorrichtung A dazu ausgelegt, am Unterkörper eines Benutzers U angebracht zu werden, um die Bewegung eines Kniegelenks des Benutzers U zu unterstützen.
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Die Bewegungsassistenzvorrichtung A enthält eine erste Orthose 1, die am Oberschenkel des Benutzers U anzubringen ist, eine zweite Orthose 2, die am Unterschenkel des Benutzers U anzubringen ist, sowie eine dritte Orthose 3, die am Fuß des Benutzers U anzubringen ist. Die Bewegungsassistenzvorrichtung A legt an den Körper des Benutzers U mittels der Orthosen eine Kraft an, um eine Bewegung (insbesondere Beuge- und Streckbewegungen) des Benutzers U zu unterstützen. Die dritte Orthose 3 enthält einen Lastsensor 3a, der eine vom Benutzer U erhaltene Boden reaktionskraft erfasst.
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Ein erster Rahmen 4, der sich entlang dem Oberschenkel des Benutzers U erstreckt, ist mit der ersten Orthose verbunden, ein zweiter Rahmen 5, der sich entlang einem Unterschenkel des Benutzers U erstreckt, ist mit der zweiten Orthose verbunden, und ein dritter Rahmen 6, der sich entlang einem Fuß erstreckt, ist mit der dritten Orthose 3 verbunden.
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Der erste Rahmen 4 und der zweite Rahmen 5 sind durch einen ersten Gelenkabschnitt 7 relativ drehbar. Der zweite Rahmen 5 und der dritte Rahmen 6 sind durch einen zweiten Gelenkabschnitt 8 relativ drehbar.
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Der erste Gelenkabschnitt 7 ist so vorgesehen, dass der erste Gelenkabschnitt 7 an einer Position entsprechend einem Kniegelenk des Benutzers U platziert wird, wenn der Benutzer U die Bewegungsassistenzvorrichtung A anlegt. Der zweite Gelenkabschnitt 8 ist so vorgesehen, dass der zweite Gelenkabschnitt 8 an einer Position entsprechend dem Fußknöchelgelenk des Benutzers U platziert wird, wenn der Benutzer U die Bewegungsassistenzvorrichtung anlegt.
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Der erste Gelenkabschnitt 7 und der zweite Gelenkabschnitt 8 enthalten Sensoren zum Erfassen des Winkels eines entsprechenden Gelenks. Ferner hat der erste Gelenkabschnitt 7 eine Rillenscheibe (nicht dargestellt) und auf der Rillenscheibe einen Draht 9c angeordnet, wie nachfolgend diskutiert wird.
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Ein Antriebsmechanismus 9 ist an dem ersten Rahmen 4 befestigt. Der Antriebsmechanismus 9 enthält eine Feder 9a (elastisches Element), deren eines Ende an dem ersten Rahmen 4 befestigt ist, einen Getriebemechanismus 9b, mit dem das andere Ende der Feder 9a verbunden ist, und der die von der Feder 9a übertragene elastische Kraft in eine Antriebskraft umwandelt, einen Draht 9c, dessen eines Ende mit dem Getriebemechanismus 9b verbunden ist und dessen anderes Ende mit der zweiten Orthose 2 verbunden ist, sowie eine Steuereinheit 9d zum Steuern/Regeln des Getriebemechanismus 9b.
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Die Feder 9a wird durch die Muskelkraft des Benutzers U mittels der ersten Orthose 1, der zweiten Orthose 2, des Drahts und des Getriebemechanismus 9b gestreckt, und speichert die elastische Kraft (d.h. speichert die elastische Energie), wenn der Benutzer U in die Hocke geht (die erste Haltung). Wenn der Benutzer U eine aufrecht stehende Haltung einnimmt (die zweite Haltung), wird die gespeicherte elastische Kraft gelöst und wird die Kraft an den Körper des Benutzers U mittels des Getriebemechanismus 9b, des Drahts 9c, der zweiten Orthose 2 und der ersten Orthose 1 angelegt.
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In der vorliegenden Ausführung wird eine schraubenartige Feder 9a als das elastische Element verwendet. Jedoch ist das elastische Element in der vorliegenden Erfindung nicht auf die schraubenartige Feder beschränkt und es können auch andere verwendet werden, insofern sie eine elastische Kraft speichern und freisetzen können. Zum Beispiel kann als das elastische Element auch ein Urethangummi oder dergleichen verwendet werden.
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Der Draht 9c legt eine Kraft in Zugrichtung an die zweite Orthose 2 gemäß der Antriebskraft an, die von dem Getriebemechanismus 9b angelegt wird. Dies bewirkt, dass eine Kraft in Richtung zum aufrechten Stehen des Oberschenkels in Bezug auf den Unterschenkel (d.h. eine Kraft zum Unterstützen der Aufstehbewegung) an den Oberschenkel und den Unterschenkel des Benutzers U mittels der ersten Orthose 1 und der zweiten Orthose 2 angelegt wird.
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Die Steuereinheit 9d schätzt die Haltung des Benutzers U auf der Basis des Winkels vom Kniegelenk des Benutzers, der vom Sensor des ersten Gelenkabschnitts 7 erfasst wird, des Winkels vom Fußknöchelgelenk des Benutzers U, der vom Sensor des zweiten Gelenkabschnitts 8 erfasst wird, und der Bodenreaktionskraft, die vom Lastsensor 3a der dritten Orthose 3 erfasst wird. Dies bedeutet, dass in der Bewegungsassistenzvorrichtung die vorstehenden Sensoren eine Haltungserfassungseinheit darstellen, welche die Haltung des Benutzers U erfasst.
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Ferner schaltet, basierend auf der geschätzten Haltung, die Steuereinheit 9d den Modus des Getriebemechanismus 9b zum Übertragungsmodus (Übertragungszustand), in dem die Bewegung unterstützt wird, oder zum Nichtübertragungsmodus (Nichtübertragungszustand), in dem der Benutzer U sein Gelenk frei bewegen kann, während die gespeicherte elastische Kraft beibehalten wird (d.h. ohne Unterstützung der Bewegung der Benutzers U).
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Nun wird in Bezug auf 2 der Getriebemechanismus 9b beschrieben.
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Wie in 2 dargestellt, enthält der Getriebemechanismus 9b ein Chassis 10, das an dem ersten Rahmen 4 befestigt ist, einen Planetenradmechanismus PGS, der innerhalb des Chassis 10 angeordnet ist, sowie eine Bremse (Eingriffsmechanismus).
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Der Planetenradmechanismus PGS ist aufgebaut aus einem Sonnenrad S (Eingangselement), das mit der ersten Orthose 1 durch die Feder 9a verbunden ist, einem Ringrad R (Ausgangselement), das mit der zweiten Orthose 2 durch den Draht 9c verbunden ist, einem Ritzel P, das mit dem Sonnenrad S und dem Ringrad kämmt, sowie einem Träger C (fixiertem Element), das das Ritzel P drehbar und umlaufend trägt.
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Der Planetenradmechanismus PGS ist ein so genannter Einzelritzel-Planetenradmechanismus, und ein Planetenradmechanismus, der ein so genannter Minus-Planetenradmechanismus oder negativer Planetenradmechanismus ist, in dem, wenn das Sonnenrad S gedreht wird, während der Träger C fixiert ist, das Ringrad R verzögert wird und sich in einer Richtung dreht, die von jener des Sonnenrads S unterschiedlich ist.
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Die Bremse B ist aufgebaut aus einem ersten Eingriffselement B1, das so fixiert ist, dass es in axialer Richtung in Bezug auf den ersten Rahmen 4 bewegbar ist, einem zweiten Eingriffselement B2, das an dem Sonnenrad S fixiert ist, und einem dritten Eingriffselement B3, das an dem Träger C fixiert ist. Das erste Eingriffselement B1 wird durch ein Solenoid (nicht dargestellt) in der axialen Richtung gemäß einem Signal von der Steuereinheit 9d bewegt und steht selektiv mit entweder dem zweiten Eingriffselement B2 oder dem dritten Eingriffselement B23 in Eingriff.
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In Bezug auf die Tabelle von 3 wird in dem Zustand, in dem das erste Eingriffselement B1 und das dritte Eingriffselement B3 in Eingriff stehen (im in 2 dargestellten Zustand), die Drehung des Trägers C, zu dem das dritte Eingriffselement B3 fixiert ist, verhindert (d.h. der Träger C wird an dem Chassis 10 fixiert, um hierdurch den Getriebemechanismus 9b zum Übertragungsmodus zu stellen).
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Im Übertragungsmodus kann das Sonnenrad S gedreht werden (in Ausgaberichtung), um die Kraft von dem Kniegelenk auf die Feder 9a zu übertragen und um die elastische Kraft in der Feder 9a zu speichern. Ferner kann das Ringrad R in Kniebeugerichtung (in Eingaberichtung) gedreht werden.
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Wenn somit der Benutzer U seine Haltung von der zweiten Haltung zur ersten Haltung (Hocke) ändert, wird die Kraft des Benutzers U zum Beugen seines Knies mittels der zweiten Orthose 2 und des Drahts 9c in das Ringrad R eingegeben und wird dann mittels des Trägers C und des Sonnenrads S an die Feder 9a angelegt. Im Ergebnis wird die elastische Kraft in der Feder 9a gespeichert.
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Ferner kann im Übertragungsmodus das Sonnenrad S gedreht werden (in der Eingaberichtung), um die elastische Kraft von der Feder 9a freizusetzen und die Antriebskraft basierend auf der elastischen Kraft auf das Kniegelenk zu übertragen. Ferner kann das Ringrad R in Kniestreckrichtung (der Ausgaberichtung) gedreht werden.
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Wenn somit der Benutzer U seine Haltung von der ersten Haltung zur zweiten Haltung (stehend) ändert, wird die von der Feder 9a freigesetzte elastische Kraft mittels des Sonnenrads S und des Trägers C in das Ringrad R eingegeben, und wird dann mittels des Drahts 9c und der zweiten Orthose 2 an den Benutzer U angelegt. Im Ergebnis wird die Bewegung vom Kniegelenk des Benutzers U unterstützt.
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Hingegen wird in dem Zustand, in dem das erste Eingriffselement B1 und das zweite Eingriffselement B2 in Eingriff stehen, die Drehung des Sonnenrads S, zu dem das zweite Eingriffselement B2 fixiert ist, verhindert (d.h. das Sonnenrad S ist an dem Chassis 10 fixiert), um somit den Getriebemechanismus 9b zu dem Nichtübertragungsmodus zu stellen.
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Im Nichtübertragungsmodus ist das Sonnenrad S fixiert, so dass weder die elastische Kraft in der mit dem Sonnenrad S verbundenen Feder 9a gespeichert wird noch die in der Feder 9a gespeicherte elastische Kraft freigesetzt wird. Obwohl sich ferner das Ringrad R frei dreht, wird die Drehung nicht auf das Sonnenrad S übertragen.
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Somit kann im Nichtübertragungsmodus der Benutzer U sein Kniegelenk frei bewegen, während die elastische Kraft in der Feder 9a gespeichert bleibt.
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Wenn ferner das erste Eingriffselement B1 weder mit dem zweiten Eingriffselement B2 noch dem dritten Eingriffselement B3 in Eingriff steht, dann sind das Sonnenrad S, zu dem das zweite Eingriffselement B2 fixiert ist, und der Träger C, zu dem das dritte Eingriffselement fixiert ist, frei drehbar. Dies bewirkt, dass die in der Feder 9a gespeicherte elastische Kraft freigesetzt (rückgesetzt) wird, ohne die Antriebskraft auf das Gelenk des Benutzers U zu übertragen.
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Die Struktur zum Rücksetzen ist nicht auf die vorstehende Struktur beschränkt. Als alternative Struktur kann auch eine Kupplung zwischen der Feder 9a und dem ersten Rahmen 4 oder dem Sonnenrad S vorgesehen sein, und das erste Eingriffselement B1 kann selektiv mit entweder dem zweiten Eingriffselement B2 oder dem dritten Eingriffselement B3 in Eingriff gebracht werden.
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In der Bewegungsassistenzvorrichtung A ist das Chassis 10 am ersten Rahmen 4 befestigt. Alternativ kann jedoch das Chassis 10 auch an der ersten Orthose 1, der zweiten Orthose 2 oder dem zweiten Rahmen 5 befestigt sein.
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Ferner dient in der Bewegungsassistenzvorrichtung A das Sonnenrad S des Planetenradmechanismus PGS als das Eingangselement, dient das Ringrad R als das Ausgangselement und dient der Träger C als das fixierte Element. Alternativ kann jedoch mit dem Ringrad R oder dem Träger C die Feder 9a verbunden sein, um als das Eingangselement zu dienen, kann das Sonnenrad S oder der Träger C mit der zweiten Orthose so verbunden sein, um als das Ausgangselement zu dienen, oder kann das Sonnenrad S oder das Ringrad R als das fixierte Element dienen.
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Ferner verwendet die Bewegungsassistenzvorrichtung A den Einzelritzel-Planetenradmechanismus als den Planetenradmechanismus, kann aber alternativ auch einen Doppelritzel-Planetenradmechanismus verwenden.
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Ferner verwendet in der Bewegungsassistenzvorrichtung A der Eingriffsmechanismus ein Solenoid. Anstelle des Solenoids kann jedoch auch eine Klauenkupplung, eine elektromagnetische Bremse, eine Scheibenbremse oder dergleichen verwendet werden, um den Eingriffsmechanismus darzustellen.
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Nun wird in Bezug auf 4 und 5 die von der Steuereinheit 9d durchgeführte Steuerung beschrieben. Wenn die Benutzung der Bewegungsassistenzvorrichtung A beginnt (d.h. in einem Anfangszustand ist), wird die elastische Kraft in der Feder gespeichert, wenn der Benutzer U die erste Haltung (die Kniebeugehaltung) einnimmt, und wird, wenn der Benutzer U die zweite Haltung (die aufrecht stehende Haltung) einnimmt, der Übertragungsmodus gesetzt, in dem die Antriebskraft übertragen wird, um eine Bewegung zu unterstützen.
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Zuerst bestimmt die Steuereinheit 9d, ob die Haltung des Benutzers U die Kniebeugehaltung (die erste Haltung) ist, auf der Basis des Winkels vom Kniegelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des ersten Gelenkabschnitts 7 erfasst wird, des Winkels vom Fußknöchelgelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des zweiten Gelenkabschnitts 8 erfasst wird, und der Bodenreaktionskraft, die mit dem Lastsensor 3a der dritten Orthose 3 erfasst wird (Schritt 1 von 4).
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Insbesondere bestimmt die Steuereinheit 9d auf der Basis der Erfassungssignale von den Sensoren, ob der Benutzer U die hockende Haltung mit den gebeugten Knien (die erste Haltung) eingenommen hat, um zum Beispiel ein Gepäckstück anzuheben (ob sich der Zustand vom in 5A dargestellten Zustand zum in 5B dargestellten Zustand geändert hat). In anderen Worten, die Steuereinheit 9d bestimmt, ob der Benutzer U die erste Haltung eingenommen hat, die bewirkt, dass die elastische Kraft in der Feder 9a gespeichert wird.
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Wenn die Steuereinheit 9d bestimmt, dass der Benutzer nicht in der ersten Haltung ist (NEIN in Schritt 1), dann kehrt die Steuereinheit 9d zu Schritt 1 zurück, um die Bestimmung erneut durchzuführen.
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Wenn hingegen die Steuereinheit 9d bestimmt, dass der Benutzer die erste Haltung eingenommen hat (JA in Schritt 1), dann bestimmt die Steuereinheit 9d, ob sich die Haltung des Benutzers U zur aufrecht stehenden Haltung (der zweiten Haltung) geändert hat, auf der Basis des Winkels vom Kniegelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des ersten Gelenkabschnitts 7 erfasst wird, des Winkels vom Fußknöchelgelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des zweiten Gelenkabschnitts 8 erfasst wird, und der Bodenreaktionskraft, die mit dem Lastsensor 3a der dritten Orthose 3 erfasst wird (Schritt 2 von 4).
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Insbesondere bestimmt die Steuereinheit 9d auf der Basis der Erfassungssignale von den Sensoren, ob sich die Haltung des Benutzers U zur aufrecht stehenden Haltung geändert hat (ob sich der Zustand vom in 5B dargestellten Zustand zum in 5E dargestellten Zustand geändert hat.
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Wenn die Steuereinheit 9d bestimmt, dass sich die Haltung des Benutzers U zur zweiten Haltung geändert hat (JA in Schritt 2), dann kehrt die Steuereinheit 9d zu Schritt 1 zurück, um die Bestimmung erneut durchzuführen.
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Wenn hierbei die Haltung die aufrecht stehende Haltung ist (beim unmittelbaren Wechsel vom in 5B dargestellten Zustand zum in 5E dargestellten Zustand), ist der Getriebemechanismus 9b im Übertragungsmodus. Somit wird die Antriebskraft basierend auf der in der Feder 9a gespeicherten elastischen Kraft, wenn der Benutzer U die hockende Haltung einnimmt, welche die erste Haltung ist (wenn JA in Schritt 1), an den Benutzer U angelegt, um hierdurch die Aufstehbewegung zu unterstützen.
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Wenn hingegen die Steuereinheit 9d bestimmt, dass der Benutzer noch nicht in der zweiten Haltung ist (NEIN in Schritt 2), dann bestimmt die Steuereinheit 9d, ob eine vorab gesetzte bestimmte Zeit in einem Zustand, der nicht die zweite Haltung ist, abgelaufen ist (ob das Auslöseereignis aufgetreten ist) (Schritt 3 von 4).
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Insbesondere bestimmt, basierend auf den Erfassungssignalen von jedem der Sensoren, die Steuereinheit 9d, ob die erste Haltung für eine vorbestimmte Zeit oder länger beigehalten worden ist, oder eine halbhockende Haltung, die auf dem Weg zur zweiten Haltung ist und nicht die erste Haltung ist (der in 5C dargestellten Zustand) für eine vorbestimmte Zeit oder länger beibehalten worden ist, wobei der Zeitpunkt, zu dem die erste Haltung (der in 5B dargestellte Zustand) erreicht wird, die Referenz ist.
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Wenn die Steuereinheit 9d bestimmt, dass die vorbestimmte Zeitspanne nicht abgelaufen ist (NEIN in Schritt 3), dann kehrt die Steuereinheit 9d zu Schritt 2 zurück, um erneut zu bestimmen, ob die Haltung des Benutzers U die zweite Haltung erreicht hat.
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Wenn hingegen die Steuereinheit 9d bestimmt, dass die vorbestimmte Zeitspanne abgelaufen ist (JA in Schritt 3), dann schaltet die Steuereinheit 9d den Getriebemechanismus 9b zum Nichtübertragungsmodus um (Schritt 4 von 4).
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Sobald der Getriebemechanismus 9b zum Nichtübertragungsmodus geschaltet ist, wird keine Kraft von der Bewegungsassistenzvorrichtung A angelegt, auch wenn sich der Benutzer U in der halbhockenden Haltung oder dergleichen bewegt, um es dem Benutzer U zu ermöglichen, seine Kniegelenke frei zu bewegen.
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Als nächstes bestimmt die Steuereinheit 9d, ob sich die Haltung des Benutzers U zur hockenden Haltung (ersten Haltung) geändert hat, auf der Basis des Winkels vom Kniegelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des ersten Gelenkabschnitts 7 erfasst wird, des Winkels vom Fußknöchelgelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des zweiten Gelenkabschnitts 8 erfasst wird, und der Bodenreaktionskraft, die mit dem Lastsensor 3a der dritten Orthose 3 erfasst wird (Schritt 5 von 4).
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Insbesondere bestimmt die Steuereinheit 9d auf der Basis der Erfassungssignale von den Sensoren, ob sich die Haltung von der halbhockenden Haltung zur hockenden Haltung geändert hat (ob sich der Zustand vom in 5C dargestellten Zustand zum in 5D dargestellten Zustand geändert hat).
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Wenn die Steuereinheit 9d bestimmt, dass sich die Haltung des Benutzers U noch nicht zur ersten Haltung geändert hat (NEIN in Schritt 5), dann kehrt die Steuereinheit 9d zu Schritt 5 zurück, um erneut zu bestimmen, ob die Haltung des Benutzers U die zweite Haltung erreicht hat.
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Wenn hingegen die Steuereinheit 9d bestimmt, dass die Haltung des Benutzers U die erste Haltung erreicht hat (JA in Schritt 5), dann schaltet die Steuereinheit 9d den Getriebemechanismus 9b zum Übertragungsmodus um (Schritt 6 von 4).
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Somit wird die Antriebskraft basierend auf der elastischen Kraft, die in der Feder 9a gespeichert worden und nicht freigesetzt worden ist, an den Benutzer U angelegt, um seine Aufstehbewegung zu unterstützen.
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Als nächstes bestimmt die Steuereinheit 9d, ob sich die Haltung des Benutzers U zur aufrecht stehenden Haltung (zweiten Haltung) geändert hat, auf der Basis des Winkels vom Kniegelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des ersten Gelenkabschnitts 7 erfasst wird, des Winkels vom Fußknöchelgelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des zweiten Gelenkabschnitts 8 erfasst wird, und der Bodenreaktionskraft, die mit dem Lastsensor 3a der dritten Orthose 3 erfasst wird (Schritt 7 von 4).
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Insbesondere bestimmt die Steuereinheit 9d auf der Basis der Erfassungssignale von den Sensoren, ob sich die Haltung zur aufrecht stehenden Haltung geändert hat (ob sich der Zustand vom in 5D dargestellten Zustand zum in 5E dargestellten Zustand geändert hat).
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Wenn die Steuereinheit 9d bestimmt, dass sich die Haltung des Benutzers U noch nicht zur zweiten Haltung geändert hat (NEIN in Schritt 7), dann kehrt die Steuereinheit 9d zu Schritt 7 zurück, um die Bestimmung erneut durchzuführen.
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Wenn hingegen die Steuereinheit 9d bestimmt, dass sich die Haltung des Benutzers U zur zweiten Haltung geändert hat(JA in Schritt 7), dann setzt die Steuereinheit 9d die gespeicherte elastische Kraft frei, um den Zustand des Antriebsmechanismus 9 zum Anfangszustand zurückzusetzen (Schritt 8 von 4).
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Wenn somit die elastische Kraft in der Feder 9a gespeichert wird, trotz der Tatsache, dass sich die Haltung des Benutzers U zur zweiten Haltung geändert hat, zum Beispiel aufgrund einer leichten Differenz zwischen der anfänglichen zweiten Haltung (dem in 5A dargestellten Zustand) und der nächsten zweiten Haltung (dem in 5E dargestellten Zustand), wird die elastische Kraft freigesetzt und wird der Zustand der Bewegungsassistenzvorrichtung A initialisiert.
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Schließlich schaltet die Steuereinheit 9d den Getriebemechanismus 9b zum Übertragungsmodus und beendet den Prozess (Schritt 9 von 4).
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Wie oben beschrieben, verwendet die Bewegungsassistenzvorrichtung A die Feder 9a, die ein elastisches Element ist, als ihre Antriebsquelle. Somit benötigt die Bewegungsassistenzvorrichtung A weniger Kraft, hat ein geringeres Gewicht, weil die Steuereinheit 9d eine einfachere Konfiguration hat, und hat eine längere Betriebszeit, im Vergleich zu einer Bewegungsassistenzvorrichtung, die einen Aktuator oder dergleichen als ihre Antriebsquelle verwendet.
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Ferner ermöglicht die Bewegungsassistenzvorrichtung A das Umschalten zwischen dem Übertragungsmodus zum Unterstützen einer Bewegung und einem Nichtübertragungsmodus, der eine freie Bewegung eines Gelenks erlaubt, während eine gespeicherte elastische Kraft erhalten bleibt (d.h. ohne Bewegungsunterstützung).
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Ferner erfolgt das Umschalten auf der Basis der Haltung des Benutzers U, die auf der Basis des Winkels vom Kniegelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des ersten Gelenkabschnitts 7 erfasst wird, des Winkels vom Fußknöchelgelenk des Benutzers U, der mit dem Sensor des zweiten Gelenkabschnitts 8 erfasst wird, und der Bodenreaktionskraft, die mit dem Lastsensor 3a der dritten Orthose 3 erfasst wird, geschätzt wird.
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Ferner erfolgt das Umschalten automatisch, wenn die Steuereinheit 9d ein vorbestimmtes Auslöseereignis erkennt (wenn eine vorbestimmte Zeit abläuft, nachdem der Benutzer U die erste Haltung eingenommen hat und ohne zur zweiten Haltung zu wechseln).
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Somit kann die Bewegungsassistenzvorrichtung A eine Bewegung zu einer richtigen Zeitgebung unterstützen, ohne eine spezielle Bedienung vom Benutzer U zu benötigen, und zwar auch einer Gebrauchsumgebung, die ein häufiges Umschalten zwischen dem Zustand, in dem eine Bewegungsunterstützung erforderlich ist, und dem Zustand, in dem eine Bewegungsunterstützung nicht erforderlich ist, beinhaltet.
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In der vorstehenden Ausführung wird der Modus zum Nichtübertragungsmodus umgeschaltet und dann, gemäß der Haltung des Benutzers U, zum Übertragungsmodus zurückgeschaltet (Schritte 5 und 6). Dies wird durchgeführt, um eine effektive Nutzung der in der Feder 9a verbleibenden elastischen Kraft zu erreichen.
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Jedoch braucht die vorstehende Steuerung nicht notwendigerweise ausgeführt werden. Wenn es zum Beispiel nicht erforderlich ist, die verbleibende elastische Kraft zu nutzen, dann kann der Prozess in den Schritten 5 und 6 weggelassen werden, und kann die elastische Kraft einfach durch das Rücksetzen in Schritt S8 freigesetzt werden.
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Ferner kann zum noch einfacheren Gebrauch, ein Steuermoduswählschalter vorgesehen sein (zum Beispiel ein Schalter oder dergleichen, der vom Benutzer U aktiviert wird, indem er mit seinem Mund auf den Schalter oder dergleichen beißt). In dieser Konfiguration erfolgt das Umschalten grundlegend automatisch, aber es kann eine Anordnung vorgesehen werden, die ermöglicht, dass das Umschalten zu einer beliebigen Zeitgebung durchgeführt wird.
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Oben ist die in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Ausführung beschrieben worden. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungen beschränkt.
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Zum Beispiel dient in der vorstehenden Ausführung die Bewegungsassistenzvorrichtung A dazu, die Bewegung eines Kniegelenks des Benutzers U zu unterstützen. Jedoch kann die Bewegungsassistenzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch dazu benutzt werden, die Bewegung der Hüfte, einer Schulter oder eines Ellbogens zu unterstützen.
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Wenn zum Beispiel die Bewegungsassistenzvorrichtung dazu ausgelegt ist, die Bewegung eines Ellbogens zu unterstützen, dann wird die erste Haltung zu einer Haltung, in der der Ellbogen gestreckt ist, und wird die zweite Haltung zu einer Haltung, in der der Ellbogen gebeugt ist. Die Bewegungsassistenzvorrichtung ist derart konfiguriert, dass dann, wenn ein Objekt angehoben wird, die Antriebskraft übertragen wird, um eine Bewegung zu unterstützen, die die Haltung des Ellbogens von der ersten Haltung zur zweiten Haltung ändert. Hierbei dient die Steuereinheit dazu, einen Getriebemechanismus von einem Nichtübertragungsmodus zu einem Übertragungsmodus umzuschalten, wenn sich die Haltung eines Benutzers von der ersten Haltung zur zweiten Haltung ändert.
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Ferner wird in der vorstehenden Ausführung der Planetenradmechanismus PGS als der schaltbare Getriebemechanismus 9b angewendet. Jedoch ist der Getriebemechanismus der vorliegenden Erfindung nicht auf den Planetenradmechanismus beschränkt, und es können auch andere Mechanismen verwendet werden, insofern die Mechanismen dazu ausgelegt sind, eine Antriebskraft basierend auf der elastischen Kraft eines elastischen Elements zu erzeugen und zwischen einem Übertragungsmodus, in dem ein Gelenk zu einem vorbestimmten Zustand bewegt wird, und einem Nichtübertragungsmodus, in dem das Gelenk frei bewegt werden kann, schaltbar sind. Zum Beispiel kann der Getriebemechanismus unter Verwendung einer Klauenkupplung, einer elektromagnetischen Bremse, eines Solenoids, einer Hydraulikschaltung oder dergleichen aufgebaut sein.
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Ferner werden in der vorstehenden Ausführung die Sensoren, die den Winkel eines Kniegelenks, den Winkel eines Fußknöchelgelenks und eine Bodenkontaktlast erfassen, als die Haltungsdetektoren zum Erfassen der Haltung des Benutzers U verwendet. Jedoch sind die Haltungsdetektoren in der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Sensoren beschränkt und es können auch andere Mittel verwendet werden, insofern sie in der Lage sind, die Haltung eines Benutzers zu erfassen. Zum Beispiel braucht nur einer oder zwei der Sensoren, die den Winkel eines Kniegelenks, den Winkel eines Fußknöchelgelenks und eine Bodenkontaktlast erfassen, als der oder die Sensoren verwendet werden. Ferner kann ein Gyrosensor verwendet werden, die die Höhe einer Hüftposition erfasst, oder ein Benutzer kann mittels einer externen angebrachten Kamera fotografiert werden und kann die Haltung des Benutzers aus dem fotografierten Bild erfasst werden.
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Eine Bewegungsassistenzvorrichtung A enthält einen Antriebsmechanismus (9), der eine Kraft an den Körper eines Benutzers U mittels einer ersten Orthose und einer zweiten Orthose anlegt, Haltungsdetektoren (7), (8) und (3a), die die Haltung des Benutzers U erfassen, sowie eine Steuereinheit (9d), die den Antriebsmechanismus (9) ansteuert. Ein Getriebemechanismus (9b) des Antriebsmechanismus (9) ist so konfiguriert, dass er umschaltbar ist zwischen einem Übertragungsmodus, in dem eine auf einer Feder (9a) basierende Antriebskraft übertragen wird, um ein Gelenk zu einem vorbestimmten Zustand zu bewegen, und einem Nichtübertragungsmodus, in dem ein Gelenk frei bewegt werden kann, ohne die Antriebskraft, die gespeichert worden ist, zu übertragen. Die Steuereinheit (9d) schaltet automatisch den Getriebemechanismus (9b) zum Nichtübertragungsmodus, wenn basierend auf der Haltung des Benutzers U ein vorbestimmtes Auslöseereignis erkannt wird.
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Bezugszeichenliste
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1... Erste Orthose; 2... Zweite Orthose; 3... Dritte Orthose; 3a... Lastsensor; 4... Erster Rahmen; 5... Zweiter Rahmen; 6... Dritter Rahmen; 7... Erster Gelenkabschnitt; 8... Zweiter Gelenkabschnitt; 9... Antriebsmechanismus; 9a... Feder (Elastisches Element); 9b... Getriebemechanismus; 9c... Draht; 9d... Steuereinheit; 10... Chassis; A... Bewegungsassistenzvorrichtung; B... Bremse (Eingriffsmechanismus); B1... Erstes Eingriffselement; B2... Zweites Eingriffselement; B3... Drittes Eingriffselement; C... Träger (Fixiertes Element); P... Ritzel; PGS... Planetenradmechanismus; R... Ringrad (Ausgangselement); S... Sonnenrad (Eingangselement); und U... Benutzer.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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