JP2009005764A - Rotary type actuator with damper function and operation assisting device using same - Google Patents

Rotary type actuator with damper function and operation assisting device using same Download PDF

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JP2009005764A JP2007167966A JP2007167966A JP2009005764A JP 2009005764 A JP2009005764 A JP 2009005764A JP 2007167966 A JP2007167966 A JP 2007167966A JP 2007167966 A JP2007167966 A JP 2007167966A JP 2009005764 A JP2009005764 A JP 2009005764A
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Hiroshi Tokutake
浩 得竹
Shigeru Sunada
茂 砂田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotary type actuator which can flexibly transmit the torque of a driving shaft to a driven shaft in a simple structure and whose damper effect is variable, and an operation assisting device using the same. <P>SOLUTION: The rotary type actuator with the damper function includes the driving shaft rotationally driven by a drive source, a pump impeller rotated integrally with the driving shaft, the driven shaft which is input to a system to be driven, a turbine impeller rotated integrally with the driven shaft, and a housing for housing fluid transmitting power from the pump impeller to the turbine impeller, the pump impeller and the turbine impeller, wherein the pump impeller and/or the turbine impeller is provided with a variable pitch mechanism. The operation assisting device using the same is also provided. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、ダンパー機能付の回転型アクチュエータおよびそれを用いた動作補助装置に関する。この発明の回転型アクチュエータは、ダンパー機能を有するので、高齢者用あるいは障害者用の動作補助装置に適用することが特に好ましい。   The present invention relates to a rotary actuator with a damper function and an operation assisting device using the same. Since the rotary actuator of the present invention has a damper function, it is particularly preferable to apply it to an operation assisting device for the elderly or the disabled.

近年、人間に代わって作業を行うロボットの研究および開発が盛んに行われているが、それと共に、人間の身体能力あるいは作業能力を補助する機器の研究および開発も進んでいる。いわゆるロボットスーツあるいはパワーアシストスーツと呼ばれるものである。それらの用途としては、重量物の保持および運搬、リハビリテーション動作あるいは介護用機器として被介護者の立ち上がり、座り、歩行、階段昇降などの動作を補助が考えられている。   In recent years, research and development of robots that perform work on behalf of human beings have been actively conducted, and at the same time, research and development of devices that assist human physical ability or work ability are also progressing. This is a so-called robot suit or power assist suit. As such applications, it is considered to assist operations such as standing, sitting, walking, and stair climbing of a cared person as holding and transporting heavy objects, rehabilitation operations, or nursing equipment.

これらの機器に使用されるアクチュエータとしては、電磁モータを用いる方式や空気圧駆動方式、油圧駆動方式が採用されている。被補助者の動作の意思を検出する手法としては、被補助者の筋肉の緊張度に応じて発生する筋肉電位(表面筋電位あるいは生体電位差ともいう)を検出したり、筋肉の硬さを圧力センサで検出したりする手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
さらに、スーツという形態ではなく補助アームといった形態のより簡易な補助機器も提案されている(例えば、特許文献2および3参照)。長寿命化の傾向に伴い、このような動作補助機器の重要性は今後一層増すと考えられる。
特開2004−105261号公報 特開平7−163607号公報 特開2007−29113号公報
As an actuator used for these devices, a system using an electromagnetic motor, a pneumatic driving system, and a hydraulic driving system are employed. As a method of detecting the intention of the assistant, the muscle potential (also referred to as surface myopotential or bioelectric potential difference) generated according to the muscle tension of the assistant is detected, or the muscle hardness is pressured. A method of detecting with a sensor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
Furthermore, simpler auxiliary devices such as an auxiliary arm instead of a suit have been proposed (see, for example, Patent Documents 2 and 3). With the trend of longer life, the importance of such operation assisting devices is expected to increase further in the future.
JP 2004-105261 A JP-A-7-163607 JP 2007-29113 A

このような動作補助機器に用いられるアクチュエータは、使用者の意思に対する適格な反応が求められる。特に被補助者の身体に装着するものは、被補助者の意思に反する不測の動作をしたり、過敏に反応したりするとかえって危険をもたらしかねない。しかし、被補助者の動作意思を外部から正確かつ瞬時に検出し、自身の筋肉同様に忠実に反応させるように制御することは、理想ではあっても実現はかなりむずかしい。従って、被補助者の意思と補助機器の動作に多少のズレがあることを前提として、被補助者自身の力で補正可能な程度の柔軟な補助動作が提供されることが好ましい。即ち、動力伝達部がダンパー機能をゆうすることが好ましい。一方、力が必要とされる場面では十分な力で被補助者を補助することのできる機器が望ましい。   An actuator used for such a motion assisting device is required to have an appropriate response to the user's intention. In particular, a device worn on the body of an assistant may cause danger if unexpected behavior is performed contrary to the intention of the assistant or if the person reacts sensitively. However, although it is ideal, it is quite difficult to realize the control of the assistance person's intention of movement from the outside accurately and instantaneously, and controlling it to react faithfully like his own muscle. Therefore, on the assumption that there is a slight difference between the intention of the assistant and the operation of the assisting device, it is preferable to provide a flexible assist operation that can be corrected by the power of the assistant himself / herself. That is, it is preferable that the power transmission unit has a damper function. On the other hand, in a scene where force is required, a device that can assist the person with sufficient force is desirable.

一般に、モータや一般的な油圧方式のアクチュエータでは、被補助者がアクチュエータの動きに反して動作することは許容されない。空気圧方式のアクチュエータは柔軟性を有する利点があるが、構造が複雑になり簡易な補助機器には適さない。そこで、モータ等の駆動源と出力部との間にダンパー機能を持たせることが好ましい。   In general, with a motor or a general hydraulic actuator, it is not allowed for the person being assisted to operate against the movement of the actuator. Pneumatic actuators have the advantage of flexibility, but their structure is complicated and not suitable for simple auxiliary equipment. Therefore, it is preferable to provide a damper function between a drive source such as a motor and the output unit.

自動車等の分野では、変速機構の衝撃を吸収して柔軟に動力を伝達するための湿式クラッチやトルクコンバータなどが知られている。トルクコンバータは、ポンプで流体を駆動しタービンで力を取り出すものである。しかし、ポンプやタービンブレードはピッチ角が固定されておりその伝達特性を変えることは出来ない。また、駆動軸の回転方向が同一であれば、従動側も一定方向にしか回転しない。従って、トルクコンバータの機構を前述の動作補助機器にそのまま適用することはできない。   In the field of automobiles and the like, wet clutches and torque converters are known for absorbing power from a speed change mechanism and transmitting power flexibly. A torque converter drives fluid with a pump and extracts force with a turbine. However, pumps and turbine blades have a fixed pitch angle and cannot change their transmission characteristics. Further, if the rotation direction of the drive shaft is the same, the driven side also rotates only in a certain direction. Therefore, the mechanism of the torque converter cannot be applied as it is to the above-mentioned operation assisting device.

この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、単純な構造で駆動軸のトルクを柔軟に従動軸へ伝達することができ、しかもそのダンパー効果が可変の回転型アクチュエータおよびそれを用いた動作補助装置を提供するものである。   The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and is a rotary actuator capable of flexibly transmitting the torque of the drive shaft to the driven shaft with a simple structure and having a variable damper effect. And the operation assistance apparatus using the same is provided.

この発明は、駆動源により回転駆動される駆動軸と、駆動軸と一体に回転するポンプ羽根車と、駆動されるべき系への入力である従動軸と、従動軸と一体に回転するタービン羽根車と、ポンプ羽根車からタービン羽根車へ動力を伝達する流体、ポンプ羽根車およびタービン羽根車を収容するハウジングとを備え、ポンプ羽根車および/またはタービン羽根車が可変ピッチ機構を有することを特徴とするダンパー機能付回転型アクチュエータを提供する。   The present invention relates to a drive shaft that is rotationally driven by a drive source, a pump impeller that rotates integrally with the drive shaft, a driven shaft that is an input to the system to be driven, and a turbine blade that rotates integrally with the driven shaft. And a housing for accommodating the pump impeller and the turbine impeller, wherein the pump impeller and / or the turbine impeller has a variable pitch mechanism. A rotary actuator with a damper function is provided.

また、前記アクチュエータとヒンジ部とが配置される基アーム部と、前記ヒンジ部を軸として回動可能に取り付けられ、前記アクチュエータの従動軸の回転に応じて回動する従アーム部と、被補助者の関節部に前記アクチュエータのヒンジ部を位置させるための装着部と、前記アクチュエータの駆動軸を駆動する駆動源と、前記アクチュエータの可変ピッチ機構を調節するピッチ調節部とを備える動作補助装置を提供する。   A base arm portion on which the actuator and the hinge portion are disposed; a slave arm portion that is rotatably attached to the hinge portion as an axis and rotates according to rotation of a driven shaft of the actuator; An operation assisting device comprising: a mounting portion for positioning a hinge portion of the actuator at a joint portion of a person; a drive source for driving a drive shaft of the actuator; and a pitch adjusting portion for adjusting a variable pitch mechanism of the actuator. provide.

この発明のアクチュエータは、ポンプ羽根車からタービン羽根車へ動力を伝達する流体、ポンプ羽根車およびタービン羽根車を収容するハウジングを備え、ポンプ羽根車および/またはタービン羽根車が可変ピッチ機構を有するので、単純な構造で駆動軸のトルクを柔軟に従動軸へ伝達することができる。流体の粘性によりダンパー効果が生じるからである。しかも、可変ピッチ機構によりそのダンパー効果を変えることができる。   The actuator according to the present invention includes a fluid housing for transmitting power from the pump impeller to the turbine impeller, a housing for accommodating the pump impeller and the turbine impeller, and the pump impeller and / or the turbine impeller has a variable pitch mechanism. The torque of the drive shaft can be flexibly transmitted to the driven shaft with a simple structure. This is because the damper effect is caused by the viscosity of the fluid. In addition, the damper effect can be changed by the variable pitch mechanism.

また、この発明の動作補助装置は、前記アクチュエータと前記アクチュエータの可変ピッチ機構を調節するピッチ調節部とを備えるので、駆動源からの駆動を柔軟に伝達でき、さらに被補助者の動作に応じてポンプ羽根車および/またはタービン羽根車のピッチを調節することにより、駆動を調節することができる。   In addition, since the motion assisting device of the present invention includes the actuator and a pitch adjusting unit that adjusts the variable pitch mechanism of the actuator, it is possible to flexibly transmit the drive from the drive source, and further according to the operation of the person being assisted. The drive can be adjusted by adjusting the pitch of the pump impeller and / or turbine impeller.

たとえば、ダンパー効果の減衰係数を被補助者の動作に適した値に瞬時に変化させることができる。一般にアクチュエータの駆動源であるモータの回転数や方向を瞬時に変化させることは慣性が大きいために困難であるが、この発明に係るポンプ羽根車および/またはタービン羽根車のピッチ角の調節は、駆動源の回転を変える場合に比べて慣性が小さく、小さな力で素早く調節することができる。したがって、人の動作補助など、動作の速さ、方向および力の大きさが瞬時に刻々と変化する用途に適している。   For example, the damping coefficient of the damper effect can be instantaneously changed to a value suitable for the assistance person's operation. In general, it is difficult to instantaneously change the rotation speed and direction of a motor that is a drive source of an actuator due to large inertia. However, the adjustment of the pitch angle of the pump impeller and / or turbine impeller according to the present invention is as follows. Compared to changing the rotation of the drive source, the inertia is small, and it can be quickly adjusted with a small force. Therefore, it is suitable for applications in which the speed, direction, and magnitude of force are instantaneously changed, such as human movement assistance.

以下、この発明の好ましい態様について説明する。
この発明によるアクチュエータにおいて、前記ハウジングは、前記流体がポンプ羽根車からタービン羽根車を経て還流するように流路を形成し、可変ピッチ機構は、前記ピッチ角を変えて従動軸の回転方向および/または回転トルクを変化させてもよい。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
In the actuator according to the present invention, the housing forms a flow path so that the fluid flows back from the pump impeller through the turbine impeller, and the variable pitch mechanism changes the pitch angle to rotate the driven shaft and / or Alternatively, the rotational torque may be changed.

また、前記ポンプ羽根車およびタービン羽根車がいずれも可変ピッチ機構を備え、前記可変ピッチ機構は、ポンプ羽根車のピッチ角とタービン羽根車のピッチ角とを連動させてダンパー機能の減衰特性を変化させてもよい。   The pump impeller and the turbine impeller both have a variable pitch mechanism, and the variable pitch mechanism changes the damping characteristic of the damper function by interlocking the pitch angle of the pump impeller and the pitch angle of the turbine impeller. You may let them.

この発明による動作補助装置は、被補助者の動作の意思を検出する動作意思検出部と、検出された動作意思に応じて前記駆動源の駆動と前記ピッチ調節部の動作を制御する制御部とをさらに備えていてもよい。   An operation assisting device according to the present invention includes an operation intention detecting unit that detects an intention of an auxiliary person's operation, and a control unit that controls driving of the drive source and operation of the pitch adjusting unit according to the detected operation intention. May be further provided.

前記動作意思検出部は、前記関節部を動かそうとする筋肉の緊張度または前記関節部を動かそうとする際に生じる生体電位差を検出し、前記制御部は、前記緊張度または生体電位差の大きさに応じてピッチ調節部を調節してもよい。   The motion intention detection unit detects a muscle tension level that attempts to move the joint part or a biopotential difference that occurs when the joint part is moved, and the control unit detects a magnitude of the tension level or the biopotential difference. The pitch adjuster may be adjusted accordingly.

また、前記制御部は、被補助者が力を入れたことを動作意思検出部が検出したときにダンパー効果を大きくするようにピッチ調整部を調節してもよい。
ここで示した種々の好ましい態様は、それら複数を組み合わせることもできる。
In addition, the control unit may adjust the pitch adjusting unit so that the damper effect is increased when the movement intention detecting unit detects that the assistant has applied force.
The various preferable aspects shown here can also be combined.

以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In addition, the following description is an illustration in all the points, Comprising: It should not be interpreted as limiting this invention.

図1は、この発明による回転型アクチュエータの構造を示す説明図である。図1で、回転型アクチュエータ1は、駆動源であるモータ11の軸に直結された駆動軸13、駆動軸の一端にあって駆動軸13と共に回転するポンプ羽根車17、ポンプ羽根車と対向して配置されるタービン羽根車47、タービン羽根車の回転軸である従動軸43を含んでいる。従動軸43の回転は、出力ギア41を介して負荷へ伝達される。   FIG. 1 is an explanatory view showing the structure of a rotary actuator according to the present invention. In FIG. 1, the rotary actuator 1 is opposed to a drive shaft 13 directly connected to a shaft of a motor 11 that is a drive source, a pump impeller 17 that is at one end of the drive shaft and rotates with the drive shaft 13, and a pump impeller. And a driven shaft 43 that is a rotating shaft of the turbine impeller. The rotation of the driven shaft 43 is transmitted to the load via the output gear 41.

ポンプ羽根車17は羽根のピッチ角が可変である。各羽根は、クランプピンリング18の回転に伴ってピッチ角が変わる。クランプピンリングは、駆動軸13の内部でプッシュロッド19の一端とリンクしている。プッシュロッド19の他端には、リニアアクチュエータ21に接続されており、アクチュエータ21の作動によって各羽根のピッチ角が変わる。以上のようなポンプ羽根車のピッチ可変機構は、タービン羽根車47にも設けられている。タービン羽根車47は、アクチュエータ51の作動によって各羽根のピッチ角が変わる。   The pump impeller 17 has variable blade pitch angles. The pitch angle of each blade changes as the clamp pin ring 18 rotates. The clamp pin ring is linked to one end of the push rod 19 inside the drive shaft 13. The other end of the push rod 19 is connected to a linear actuator 21, and the pitch angle of each blade is changed by the operation of the actuator 21. The pump impeller variable pitch mechanism as described above is also provided in the turbine impeller 47. In the turbine impeller 47, the pitch angle of each blade is changed by the operation of the actuator 51.

駆動軸13、ポンプ羽根車17、タービン羽根車47、従動軸43は、ハウジング31の内部に収容されており、ハウジング31の内部にはオイルが充填されている。ハウジング31と駆動軸13との間にはシールドベアリング15が設けられている。また、ハウジング31と従動軸43との間にはシールドベアリング45が設けられている。さらに、駆動軸13とクランクピンリング18との間にもシールドベアリングが設けられている。タービン羽根車47のクランクピンリングと従動軸43との間にもシールドベアリングが設けられている。従って、ハウジング内に充填されたオイルは封止された状態にあり、ハウジング31の内部にはオイル室37が形成されている。   The drive shaft 13, the pump impeller 17, the turbine impeller 47, and the driven shaft 43 are accommodated in the housing 31, and the housing 31 is filled with oil. A shield bearing 15 is provided between the housing 31 and the drive shaft 13. A shield bearing 45 is provided between the housing 31 and the driven shaft 43. Further, a shield bearing is also provided between the drive shaft 13 and the crank pin ring 18. A shield bearing is also provided between the crank pin ring of the turbine impeller 47 and the driven shaft 43. Therefore, the oil filled in the housing is in a sealed state, and an oil chamber 37 is formed inside the housing 31.

また、ハウジング31には、オイル整流リング33と、整流リング33を支持する支持リング35が配置されている。支持リング35にはオイルを通過させる開口が設けられており、ポンプ羽根車17が回転すると、矢印Fの方向にオイルが還流する。そして、オイル流の抵抗を受けてタービン羽根車47が回転し、駆動軸13の回転は従動軸43に伝達される。このとき、オイルの粘性に起因するダンパー効果が発生する。従って、駆動軸13から従動軸43への動力の伝達は柔軟に行われる。   The housing 31 is provided with an oil rectifying ring 33 and a support ring 35 that supports the rectifying ring 33. The support ring 35 is provided with an opening through which oil passes. When the pump impeller 17 rotates, the oil flows back in the direction of arrow F. Then, the turbine impeller 47 rotates by receiving the resistance of the oil flow, and the rotation of the drive shaft 13 is transmitted to the driven shaft 43. At this time, a damper effect due to oil viscosity occurs. Therefore, power transmission from the drive shaft 13 to the driven shaft 43 is performed flexibly.

ポンプ羽根車17の各羽根のピッチ角とタービン羽根車47の各羽根のピッチ角を変えることにより、ダンパー効果を変化させることができる。また、モータ11の回転速度を変えることにより、従動軸43の回転数を調節できる。   By changing the pitch angle of each blade of the pump impeller 17 and the pitch angle of each blade of the turbine impeller 47, the damper effect can be changed. Further, the rotational speed of the driven shaft 43 can be adjusted by changing the rotational speed of the motor 11.

ハウジング31の形状は、オイルの流れを損なわない滑らかな形状が好ましい。そこで、ハウジング31内に整流用の整流リング33を配置してオイルが効率よく還流するように流路を形成し、力の伝達効率を高めている。なお、必要に応じてモータ11と駆動軸13との間、あるいは従動軸43と負荷との間にギアボックスを取り付けて、軸回転速度が適切な範囲になるようにすればよい。   The shape of the housing 31 is preferably a smooth shape that does not impair the flow of oil. Therefore, a flow straightening ring 33 is disposed in the housing 31 to form a flow path so that the oil is efficiently circulated, thereby increasing the force transmission efficiency. A gear box may be attached between the motor 11 and the drive shaft 13 or between the driven shaft 43 and the load as necessary so that the shaft rotation speed is in an appropriate range.

図2は、この実施の形態においてポンプ羽根車17の可変ピッチ機構を示す説明図である。図2に示すように、駆動軸13の内部には、プッシュロッド19が挿入されており、その先端部にはヘッド部23が設けられている。ヘッド部23の側壁には溝部が設けられており、その溝部は、ポンプ羽根車17の羽根の一つ17aのクランクピンリング18に設けられたピン部18aと係合している。プッシュロッド19は、リニアアクチュエータ21の作動に伴い、矢印A方向に動く。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing a variable pitch mechanism of the pump impeller 17 in this embodiment. As shown in FIG. 2, a push rod 19 is inserted into the drive shaft 13, and a head portion 23 is provided at the tip thereof. A groove portion is provided on the side wall of the head portion 23, and the groove portion is engaged with a pin portion 18 a provided on the crank pin ring 18 of one blade 17 a of the pump impeller 17. The push rod 19 moves in the direction of arrow A along with the operation of the linear actuator 21.

図3は、この実施の形態において、可変ピッチ機構に係るヘッド部23とピン部18aとの係合の様子を示す説明図である。図3に示すように、ヘッド部23は、円柱状の部材であり、側壁の周囲に溝部25aおよび25bが設けられている。図3に示す羽根17aのピン部18aの先端は、溝部25aの凹部と係合する。なお、溝部25bは、図3に図示しない他の羽根のピン部と係合する。クランプリング18は、その周縁が駆動軸13の側部に設けられたシールドベアリング27a(図2参照)に取り付けられており、矢印Pの方向に回動可能である。クランプリング18は、プッシュロッドロッド19の矢印A方向の往復運動を、羽根17aの矢印P方向の回転運動に変換する。タービン羽根車47も、図2および図3と同様の可変ピッチ機構を有する。
リニアアクチュエータ21としては、モータを駆動源とする精密位置決め用の小型のものが知られている。市販のアクチュエータを用いてもよいし、その機構を流用してもよい。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing how the head portion 23 and the pin portion 18a according to the variable pitch mechanism are engaged in this embodiment. As shown in FIG. 3, the head portion 23 is a columnar member, and grooves 25a and 25b are provided around the side wall. The tip of the pin portion 18a of the blade 17a shown in FIG. 3 engages with the recess of the groove portion 25a. In addition, the groove part 25b is engaged with a pin part of another blade not shown in FIG. The periphery of the clamp ring 18 is attached to a shield bearing 27a (see FIG. 2) provided on the side of the drive shaft 13, and is rotatable in the direction of arrow P. The clamp ring 18 converts the reciprocating motion of the push rod rod 19 in the direction of arrow A into the rotational motion of the blade 17a in the direction of arrow P. The turbine impeller 47 also has a variable pitch mechanism similar to that shown in FIGS.
As the linear actuator 21, a small one for precision positioning using a motor as a drive source is known. A commercially available actuator may be used, or the mechanism may be diverted.

駆動軸13、従動軸43、ポンプ羽根車17、タービン羽根車47、ハウジング31、整流リング33および支持リング35の材質としては、金属、例えば、鉄、アルミニウム、マグネシウムあるいはチタンを主成分とする合金を用いることができる。また、カーボン繊維などを含む複合材を適用してもよい。それらの材料を組み合わせて構成してもよい。   The drive shaft 13, the driven shaft 43, the pump impeller 17, the turbine impeller 47, the housing 31, the rectifying ring 33, and the support ring 35 are made of metal, for example, an alloy containing iron, aluminum, magnesium, or titanium as a main component. Can be used. Moreover, you may apply the composite material containing carbon fiber etc. You may comprise combining those materials.

図4は、この発明の回転型アクチュエータを備えた動作補助機器の一例を示す説明図である。図4は、この発明の動作補助装置の機構的な構成を示している。図4の動作補助装置71は、被補助者の腕70に装着される。ただし、この発明の回転型アクチュエータを備える動作補助装置はこれに限定されず、他の部位の関節、例えば、脚部や腰部の動作を補助する装置や、前述のパワーアシストスーツにも適用可能である。   FIG. 4 is an explanatory view showing an example of a motion assisting device provided with the rotary actuator of the present invention. FIG. 4 shows the mechanical configuration of the operation assisting device of the present invention. 4 is attached to the arm 70 of the person being assisted. However, the motion assist device provided with the rotary actuator of the present invention is not limited to this, and can be applied to a device for assisting the motion of joints of other parts, for example, the leg and waist, and the power assist suit described above. is there.

図4で、動作補助装置71は、主としてヒンジ軸61を一端に有する基アーム部73、ヒンジ軸61を介して基アーム部73に対して回動可能に取り付けられた従アーム部75から構成されている。基アーム73には、図1の回転型アクチュエータ1とモータ11が取り付けられている。回転型アクチュエータの従動軸43は、負荷としてのヒンジ軸61を回転させる。   In FIG. 4, the motion assisting device 71 is mainly composed of a base arm portion 73 having a hinge shaft 61 at one end and a slave arm portion 75 attached to the base arm portion 73 through the hinge shaft 61 so as to be rotatable. ing. The rotary actuator 1 and the motor 11 shown in FIG. 1 are attached to the base arm 73. The driven shaft 43 of the rotary actuator rotates the hinge shaft 61 as a load.

従アーム部75は、ヒンジ軸61と一体に回動する。基アーム部73、従アーム部75の材質としては、樹脂、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、カーボン繊維などを含む複合材や金属、例えば、アルミニウム、マグネシウムあるいはチタンを主成分とする合金を単独で、もしくは組み合わせて構成することができる。
また、オイルとしては、市販のトルクコンバータ用オイルやシリコンオイルなどが考えられる。
The sub arm portion 75 rotates integrally with the hinge shaft 61. As a material of the base arm portion 73 and the slave arm portion 75, a composite material including a resin, for example, a polyurethane resin, a polyamide resin, a fluororesin, a polyester resin, a carbon fiber, or a metal, for example, aluminum, magnesium, or titanium is a main component. These alloys can be used alone or in combination.
As the oil, commercially available oil for torque converter, silicone oil, and the like can be considered.

さらに、基アーム部73には、基アーム部73を被補助者の腕70に装着するための固定ベルト79a、腕70のうち肩と肘との間筋肉の緊張を検出する圧力センサ77aが設けられている。また、図4には図示しないが、圧力センサ77a等の検出信号に基づきモータ11および回転型アクチュエータ1の羽根車のピッチ角を調節するコントローラ(制御部)が設けられている。コントローラおよびモータ11、リニアアクチュエータ21、51は図示しない外部のバッテリーから電源が供給される。   Further, the base arm portion 73 is provided with a fixing belt 79a for mounting the base arm portion 73 on the arm 70 of the person being assisted, and a pressure sensor 77a for detecting muscle tension between the shoulder and the elbow of the arm 70. It has been. Although not shown in FIG. 4, a controller (control unit) that adjusts the pitch angle of the impeller of the motor 11 and the rotary actuator 1 based on the detection signal of the pressure sensor 77 a and the like is provided. The controller and motor 11 and linear actuators 21 and 51 are supplied with power from an external battery (not shown).

また、従アーム部75には、固定ベルト79bおよび圧力センサ77bが設けられている。固定ベルト79aおよび79bは、請求項にいう装着部として機能する。固定ベルトとしては、マジックテープ(登録商標)などが適用可能である。圧力センサ77bの検出信号は、腕70の先の方にある筋肉の緊張を検出するためのセンサである。基アーム部73にある前記コントローラへ入力される。なお、センサ77の配置位置と種類とは図4に図示したものに限らない。被補助者の動作の意思を検出する手法については背景技術で述べたように種々の提案がなされており、部位や用途に応じて適宜決定すればよい。各センサは、請求項にいう動作意思検出部として機能する。   The slave arm 75 is provided with a fixed belt 79b and a pressure sensor 77b. The fixing belts 79a and 79b function as a mounting portion in the claims. As the fixing belt, Velcro (registered trademark) or the like is applicable. The detection signal of the pressure sensor 77b is a sensor for detecting the tension of the muscle at the tip of the arm 70. Input to the controller in the base arm unit 73. The arrangement position and type of the sensor 77 are not limited to those illustrated in FIG. As described in the background art, various proposals have been made regarding the method for detecting the intention of the person being assisted, and it may be determined as appropriate according to the region and application. Each sensor functions as an action intention detection unit as defined in the claims.

図5は、この発明の動作補助装置の主として電気的な構成の一例を示すブロック図である。図5に示すように、この発明の動作補助装置71は、主としてセンサ77、コントローラ80、モータ駆動部81、駆動源としてのモータ11、回転型アクチュエータ1、駆動軸側リニアアクチュエータ駆動部83および従動軸側リニアアクチュエータ駆動部84からなる。センサ77は、被補助者の腕70の筋肉の緊張を検出する。なお、被補助者の腕は動作補助装置71に含まれないことを明示するために、その枠を破線で示している。   FIG. 5 is a block diagram mainly showing an example of the electrical configuration of the operation assisting device of the present invention. As shown in FIG. 5, the motion assisting device 71 of the present invention mainly includes a sensor 77, a controller 80, a motor drive unit 81, a motor 11 as a drive source, a rotary actuator 1, a drive shaft side linear actuator drive unit 83, and a follower. It consists of a shaft side linear actuator drive unit 84. The sensor 77 detects the tension of the muscle of the arm 70 of the assistant. In addition, in order to clearly indicate that the arm of the person being assisted is not included in the motion assisting device 71, the frame is indicated by a broken line.

センサ77からの検出信号は、コントローラ80に入力される。コントローラ80は、検出信号に基づいて被補助者の動きを判断する。その判断結果に基づいて、モータ駆動部81へモータの制御信号(指示)を出力する。また、駆動軸側リニアアクチュエータ駆動部83および従動軸側リニアアクチュエータ駆動部84へ各アクチュエータへの制御信号(指示)をそれぞれ出力する。モータ駆動部81は、コントローラ80からの制御信号に応じた駆動信号を生成し、モータ11へ供給する。これによって、モータ11は、コントローラの指示に応じた回転速度および回転方向で動作する。   A detection signal from the sensor 77 is input to the controller 80. The controller 80 determines the movement of the person being assisted based on the detection signal. Based on the determination result, a motor control signal (instruction) is output to the motor drive unit 81. Further, control signals (instructions) for the actuators are output to the drive shaft side linear actuator drive unit 83 and the driven shaft side linear actuator drive unit 84, respectively. The motor drive unit 81 generates a drive signal corresponding to the control signal from the controller 80 and supplies it to the motor 11. As a result, the motor 11 operates at a rotation speed and a rotation direction according to instructions from the controller.

また、リニアアクチュエータ21および51は、コントローラ80からのそれぞれの指示に応じて作動する。従って、ポンプ羽根車17およびタービン羽根車47の各羽根は、コントローラの指示に応じたピッチ角にそれぞれ変位する。その結果、ヒンジ軸61は、コントローラ80の判断結果に応じた駆動力およびダンパー特性で変位し、被補助者の動作を補助する。   Further, the linear actuators 21 and 51 operate according to respective instructions from the controller 80. Accordingly, each blade of the pump impeller 17 and the turbine impeller 47 is displaced to a pitch angle according to an instruction from the controller. As a result, the hinge shaft 61 is displaced with the driving force and the damper characteristic according to the determination result of the controller 80, and assists the person being assisted.

例えば、コントローラ80は、重い荷物を持つときなど、被補助者が大きな力を入れようとして筋肉を緊張させるとき、センサ77からの検出信号に基づいて被補助者の動きを判断する。その結果、被補助者が大きな力を入れようとしていると判断すると、コントローラ80は、ポンプ羽根車のピッチ角およびタービン羽根車のピッチ角をいずれも大きな揚力係数を発生させるような角度に調節する。   For example, the controller 80 determines the movement of the assistance person based on the detection signal from the sensor 77 when the assistance person tries to apply a large force and tensions the muscle, such as when he / she has a heavy load. As a result, if it is determined that the assistant is trying to apply a large force, the controller 80 adjusts both the pitch angle of the pump impeller and the pitch angle of the turbine impeller to an angle that generates a large lift coefficient. .

一方、前述の場合に比べて軽い荷物を持つときなど、被補助者が比較的小さな力を入れようとしているとき、コントローラ80は、ポンプ羽根車のピッチ角およびタービン羽根車のピッチ角を前述の場合に比べて大きな揚抗比を発生させるような角度に調節する。その結果、駆動源から負荷への力の伝達効率が向上する。   On the other hand, the controller 80 sets the pitch angle of the pump impeller and the pitch angle of the turbine impeller as described above when the assistant is trying to apply a relatively small force, such as when holding a light load compared to the above case. The angle is adjusted so as to generate a large lift-drag ratio compared to the case. As a result, power transmission efficiency from the drive source to the load is improved.

また、タービン羽根車のピッチ角をより大きくするとダンパー機能の減衰係数がより大きくなる。そこで、コントローラ80は、被補助者の能力に応じて適切な減衰係数が設定されるようにタービン羽根車のピッチ角を調節する。適切な減衰係数を決定するために、コントローラ80は、動作補助装置が使用される前に、図示しない操作部を用いて被補助者自身、あるいは装置の管理者等に被補助者の能力を入力させてもよい。前記操作部は、装置と一体に設けられていてもよく、あるいは、装置と別体になっており必要に応じて装置に接続され、コントローラ80との間で信号をやり取りできるようになっていてもよい。   Further, when the pitch angle of the turbine impeller is increased, the damping coefficient of the damper function is increased. Therefore, the controller 80 adjusts the pitch angle of the turbine impeller so that an appropriate attenuation coefficient is set according to the ability of the person being assisted. In order to determine an appropriate attenuation coefficient, the controller 80 inputs the ability of the person to be assisted to the person to be assisted himself or the administrator of the apparatus using an operation unit (not shown) before the operation assistance apparatus is used. You may let them. The operation unit may be provided integrally with the apparatus, or may be provided separately from the apparatus and connected to the apparatus as necessary so as to exchange signals with the controller 80. Also good.

ここで、被補助者の意思と動作補助装置の動きにズレが生じた場合、基アーム部73および/または従アーム部75に外力が加わる。その結果、ヒンジ軸61を介して従動軸43の負荷トルクが変化する。負荷トルクの変化に応じてタービン羽根車47の回転速度が変化するが、オイルの粘性により、付加トルクの変化量に比例した反力が発生する。比例係数は、タービン羽根車47のピッチ角に依存する。   Here, when a shift occurs between the intention of the person being assisted and the movement of the motion assisting device, an external force is applied to the base arm portion 73 and / or the slave arm portion 75. As a result, the load torque of the driven shaft 43 changes via the hinge shaft 61. Although the rotational speed of the turbine impeller 47 changes according to the change of the load torque, a reaction force proportional to the amount of change of the additional torque is generated due to the viscosity of the oil. The proportionality coefficient depends on the pitch angle of the turbine impeller 47.

以上のように、動作補助装置にこの発明の回転型アクチュエータを適用した場合、被補助者がアクチュエータの動きに反して動作することが許容される。また、被補助者の動作速度に比例した反力が発生する。即ち、複雑なセンシングや制御を行うことなく、オーソリティを人に持たせた動作補助制御が可能になる。   As described above, when the rotary actuator according to the present invention is applied to the motion assisting device, it is allowed that the person being assisted operates against the movement of the actuator. Moreover, a reaction force proportional to the operation speed of the person being assisted is generated. In other words, it is possible to perform motion assist control that gives authority to a person without performing complicated sensing and control.

前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。   In addition to the embodiments described above, there can be various modifications of the present invention. These modifications should not be construed as not belonging to the scope of the present invention. The present invention should include the meaning equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.

この発明による回転型アクチュエータの構造の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the structure of the rotary actuator by this invention. この実施の形態において、ポンプ羽根車の可変ピッチ機構を示す説明図である。In this embodiment, it is explanatory drawing which shows the variable pitch mechanism of a pump impeller. この実施の形態において、可変ピッチ機構に係るヘッド部とピン部との係合の様子を示す説明図である。In this embodiment, it is explanatory drawing which shows the mode of engagement with the head part and pin part which concern on a variable pitch mechanism. この発明の回転型アクチュエータを備えた動作補助機器の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the operation assistance apparatus provided with the rotary actuator of this invention. この発明の動作補助装置の主として電気的な構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of mainly an electrical structure of the operation assistance apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:回転型アクチュエータ
11:モータ、駆動源
13:駆動軸
15、27a、27b:シールドベアリング
17:ポンプ羽根車
17a、17b:羽根
18:クランクピンリング
18a:ピン部
19:ポンプ羽根車用プッシュロッド
21:プッシュロッド用アクチュエータ
23:ヘッド部
25a、25b:溝部
31:ハウジング
33:整流リング
35:支持リング
37:オイル室
41:出力ギア
43:従動軸
45:シールドベアリング
47:タービン羽根車
49:タービン羽根車用プッシュロッド
51:プッシュロッド用アクチュエータ
61:ヒンジ軸、駆動負荷
70:腕、被補助者
71:動作補助装置
73:基アーム部
75:従アーム部
77、77a、77b:圧力センサ
79a、79b:装着部
80:コントローラ
81:モータ駆動部
83:駆動軸側リニアアクチュエータ駆動部
84:従動軸側リニアアクチュエータ駆動部
1: Rotary actuator 11: Motor, drive source 13: Drive shaft 15, 27a, 27b: Shield bearing 17: Pump impeller 17a, 17b: Blade 18: Crank pin ring 18a: Pin portion 19: Push rod for pump impeller 21: Push rod actuator 23: Head portion 25a, 25b: Groove portion 31: Housing 33: Rectifying ring 35: Support ring 37: Oil chamber 41: Output gear 43: Drive shaft 45: Shield bearing 47: Turbine impeller 49: Turbine Impeller push rod 51: Push rod actuator 61: Hinge shaft, Drive load 70: Arm, Assisted person 71: Motion assist device 73: Base arm portion 75: Sub arm portions 77, 77a, 77b: Pressure sensor 79a, 79b: Mounting unit 80: Controller 81: Motor driving unit 83 Drive shaft side linear actuator driving unit 84: the side of the driven shaft linear actuator driving unit

Claims (7)

駆動源により回転駆動される駆動軸と、
駆動軸と一体に回転するポンプ羽根車と、
駆動されるべき系への入力である従動軸と、
従動軸と一体に回転するタービン羽根車と、
ポンプ羽根車からタービン羽根車へ動力を伝達する流体、ポンプ羽根車およびタービン羽根車を収容するハウジングとを備え、
ポンプ羽根車および/またはタービン羽根車は、可変ピッチ機構を有することを特徴とするダンパー機能付回転型アクチュエータ。
A drive shaft that is rotationally driven by a drive source;
A pump impeller that rotates integrally with the drive shaft;
A driven shaft that is an input to the system to be driven;
A turbine impeller that rotates integrally with the driven shaft;
A fluid that transmits power from the pump impeller to the turbine impeller, a housing that houses the pump impeller and the turbine impeller,
A rotary actuator with a damper function, wherein the pump impeller and / or the turbine impeller has a variable pitch mechanism.
前記ハウジングは、前記流体がポンプ羽根車からタービン羽根車を経て還流するように流路を形成し、
可変ピッチ機構は、前記ピッチ角を変えて従動軸の回転方向および/または回転トルクを変化させる請求項1に記載のアクチュエータ。
The housing forms a flow path so that the fluid flows back from the pump impeller through the turbine impeller,
The actuator according to claim 1, wherein the variable pitch mechanism changes the rotational direction and / or rotational torque of the driven shaft by changing the pitch angle.
前記ポンプ羽根車およびタービン羽根車がいずれも可変ピッチ機構を備え、
前記可変ピッチ機構は、ポンプ羽根車のピッチ角とタービン羽根車のピッチ角とを連動させてダンパー機能の減衰特性を変化させる請求項1または2に記載のアクチュエータ。
Both the pump impeller and the turbine impeller include a variable pitch mechanism,
The actuator according to claim 1, wherein the variable pitch mechanism changes a damping characteristic of a damper function by interlocking a pitch angle of a pump impeller and a pitch angle of a turbine impeller.
請求項1〜3の何れか一つに記載のアクチュエータとヒンジ部とが配置される基アーム部と、
前記ヒンジ部を軸として回動可能に取り付けられ、前記アクチュエータの従動軸の回転に応じて回動する従アーム部と、
被補助者の関節部に前記アクチュエータのヒンジ部を位置させるための装着部と、
前記アクチュエータの駆動軸を駆動する駆動源と、
前記アクチュエータの可変ピッチ機構を調節するピッチ調節部とを備える動作補助装置。
A base arm portion on which the actuator and the hinge portion according to any one of claims 1 to 3 are disposed;
A slave arm portion pivotably attached to the hinge portion as an axis, and rotated according to the rotation of the driven shaft of the actuator;
A mounting part for positioning the hinge part of the actuator at the joint part of the person being assisted;
A drive source for driving the drive shaft of the actuator;
A motion assisting device comprising a pitch adjusting unit that adjusts a variable pitch mechanism of the actuator.
被補助者の動作の意思を検出する動作意思検出部と、
検出された動作意思に応じて前記駆動源の駆動と前記ピッチ調節部の動作を制御する制御部とをさらに備える請求項4記載の動作補助装置。
An action intention detection unit for detecting the intention of movement of the assistant;
The motion assisting device according to claim 4, further comprising a control unit that controls driving of the drive source and operation of the pitch adjusting unit in accordance with the detected motion intention.
前記動作意思検出部は、前記関節部を動かそうとする筋肉の緊張度または前記関節部を動かそうとする際に生じる生体電位差を検出し、
前記制御部は、前記緊張度または生体電位差の大きさに応じてピッチ調節部を調節する請求項5記載の動作補助装置。
The movement intention detection unit detects a muscle tension level that attempts to move the joint part or a biopotential difference that occurs when the joint part is about to move,
The operation assisting device according to claim 5, wherein the control unit adjusts the pitch adjusting unit according to the degree of tension or the bioelectric potential difference.
前記制御部は、被補助者が力を入れたことを動作意思検出部が検出したときにダンパー効果を大きくするようにピッチ調整部を調節する請求項6記載の動作補助装置。   The motion assisting device according to claim 6, wherein the control unit adjusts the pitch adjusting unit so as to increase a damper effect when the motion intention detecting unit detects that the person being assisted has applied force.
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