JP2010051416A - Apparatus for assisting movement of foot joint and method for controlling apparatus for assisting movement of foot joint - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、身体の動作、特に足の動きを補助する足関節の動作補助装置および足関節の動作補助装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a motion assist device for an ankle joint that assists body motion, in particular, motion of a foot, and a method for controlling the motion assist device for an ankle joint.
人は、事故または病気等、様々な理由で、身体の一部の動作が不自由となる場合がある。従来から、これらの身体の動作を補助するものとして動作補助装置が研究および開発されている。 A person may be unable to move a part of his body for various reasons such as an accident or illness. Conventionally, a motion assist device has been researched and developed to assist these body motions.
特許文献１には、麻痺した身体部位の動作を補助し、且つその動作に対して真に必要とされる力を適宜設定可能な動作補助用装具について開示されている。
特許文献１記載の動作補助用装具では、身体の一部の動作を補助する動作補助用装具であって、身体の第１部分に装着される第１装着部と、身体の第１部分に対して、関節を介して、回動運動を行う第２部分に装着されるとともに第１装着部に対して回動可能に接続する第２装着部と、第１装着部と第２装着部を連結するリンク機構を備え、該リンク機構は、第１装着部に対して、一端部が回動可能に取付けられる第１リンク部と、該第１リンク部の他端部と第２装着部とを接続するとともに、第１リンク部の他端部と第２装着部に対して回動可能に取付けられる第２リンク部と、第１リンク部の一端部の回転により、回転動作を行う回生素子と、該回生素子と電気的に接続するとともに、該回生素子の回転動作により生じた電気エネルギを蓄積するバッテリと、回生素子のバッテリへの充電電流及び回生素子の角速度に応じて、回生素子の制動力を制御するコントローラからなることを特徴とするものである。
The motion assisting device described in Patent Document 1 is a motion assisting device that assists in the motion of a part of the body, and is provided for a first mounting part that is mounted on the first part of the body and the first part of the body. A second mounting portion that is mounted on the second portion that performs the pivoting motion and is connected to the first mounting portion so as to be pivotable via the joint; and the first mounting portion and the second mounting portion are coupled to each other. The link mechanism includes: a first link portion whose one end portion is rotatably attached to the first mounting portion; and the other end portion of the first link portion and the second mounting portion. A second link portion connected to the other end portion of the first link portion and rotatably attached to the second mounting portion, and a regenerative element that rotates by rotating one end portion of the first link portion; And electrically connecting to the regenerative element, and the electric energy generated by the rotational operation of the regenerative element A battery for product, depending on the angular velocity of the charging current and the regenerative device to the battery of the regenerative device, is characterized in that a controller for controlling the braking force of the regeneration device.
しかしながら、特許文献１記載の動作補助用装具においては、モータ５を用いるため、動作補助用装具のサイズが大きく、モータ５の重量も重く、硬いイメージがあるため、筋力が衰えた者にとって肉体的にも心理的にも負担が高い。特に、動作補助用装具を装着する際に、多大な負担が係る。さらに、動作補助用装具においては、単純な制御を行っているため、歩容が不自然になる可能性が高い。 However, since the motion assisting device described in Patent Document 1 uses the motor 5, the size of the motion assisting device is large, the weight of the motor 5 is heavy, and there is a hard image. And psychologically expensive. In particular, a great burden is imposed when the operation assisting device is mounted. Furthermore, since the motion assisting device performs simple control, the gait is likely to be unnatural.
本発明の目的は、柔軟性があり、小型で、かつ軽量な足関節の動作補助装置を提供することにより、装着者の心理的、肉体的負担を軽減することである。 An object of the present invention is to reduce a psychological and physical burden on a wearer by providing a flexible, small and lightweight ankle joint motion assisting device.
本発明の他の目的は、自然な歩容の歩行を実現することができ、かつ柔軟性があり、小型で、軽量な足関節の動作補助装置の制御方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method for controlling an ankle joint motion assisting device that can realize a natural gait and is flexible, small and light.
（１）
本発明に係る足関節の動作補助装置は、身体の足関節の上方に装着される上側部材と、身体の足関節の下方に装着される柔軟性のある下側部材と、上側部材と下側部材とに接続され、下側部材を上側部材に対して足関節を中心に回動させるように配設された高分子アクチュエータと、下側部材が接地しているか否かを検知する接地センサと、接地センサの検知状況に応じて高分子アクチュエータを制御する制御部と、高分子アクチュエータに電力を供給する電源部と、を含むものである。
(1)
An ankle joint motion assisting device according to the present invention includes an upper member mounted above a body ankle joint, a flexible lower member mounted below the body ankle joint, an upper member and a lower side. A polymer actuator connected to the member and arranged to rotate the lower member around the ankle joint with respect to the upper member, and a grounding sensor for detecting whether or not the lower member is grounded And a control unit that controls the polymer actuator according to the detection status of the ground sensor, and a power supply unit that supplies power to the polymer actuator.
本発明に係る足関節の動作補助装置においては、高分子アクチュエータが、上側部材および下側部材に亘って設けられる。また、接地センサからの検出に応じて制御部が、電源部からの電源を用いて高分子アクチュエータを制御する。 In the ankle joint movement assist device according to the present invention, the polymer actuator is provided across the upper member and the lower member. Further, the control unit controls the polymer actuator using the power source from the power source unit in response to the detection from the ground sensor.
この場合、高分子アクチュエータは柔軟性があるため、足関節の動作補助装置全体の柔軟性を確保するとともに、当該装置の小型化、軽量化を実現することができ、使用者の肉体的、心理的負担の軽減を図ることができる。高分子アクチュエータは、電圧を与えることにより力を発生するので、足関節の動作を補助することができる。 In this case, since the polymer actuator is flexible, the flexibility of the entire ankle movement assisting device can be ensured, and the device can be reduced in size and weight. Can alleviate the burden. Since the polymer actuator generates a force by applying a voltage, it can assist the movement of the ankle joint.
（２）
高分子アクチュエータは、身体に対して向こう脛側またはふくらはぎ側の少なくとも一方の側に配設されることが好ましい。
(2)
The polymer actuator is preferably arranged on at least one side of the shin side or calf side with respect to the body.
この場合、高分子アクチュエータは、上側部材の向こう脛側またはふくらはぎ側に配設されるので、脚の内側や外側に配設されない。その結果、上側部材の身体の幅方向に凸部を設けないため、足関節の動作補助装置を装着して歩行した場合でも、他方の脚と接触することを防止することができる。
さらに、高分子アクチュエータを向こう脛側およびふくらはぎ側の両方に設けた場合、向こう脛側の高分子アクチュエータと、ふくらはぎ側の高分子アクチュエータとの印加電圧を逆位相にすることにより、大きな力で足関節の動作を補助することができる。また、各アクチュエータを小型化することで配置の自由度を高め、装置全体として小型化を図ることもできる。
In this case, since the polymer actuator is disposed on the shin side or the calf side of the upper member, it is not disposed on the inside or outside of the leg. As a result, since the convex portion is not provided in the width direction of the body of the upper member, even when walking with the ankle joint motion assist device, it is possible to prevent contact with the other leg.
Furthermore, when the polymer actuator is provided on both the shin side and the calf side, the applied voltage between the polymer actuator on the shin side and the polymer actuator on the calf side is reversed, so The movement of the joint can be assisted. In addition, by reducing the size of each actuator, the degree of freedom in arrangement can be increased, and the entire apparatus can be reduced in size.
（３）
高分子アクチュエータは、複数の高分子アクチュエータを配設させてもよい。
(3)
The polymer actuator may be provided with a plurality of polymer actuators.
この場合、高分子アクチュエータを小さくしても同じ力を発生させることができる。また、複数の高分子アクチュエータを設けることにより、力を増大させることもできる。 In this case, the same force can be generated even if the polymer actuator is made smaller. Also, the force can be increased by providing a plurality of polymer actuators.
（４）
高分子アクチュエータは、上側部材の身体からみて前方であって、一方の側面から、他方の側面に少なくとも２つ交差して配設されてもよい。
(4)
The polymer actuator may be disposed forward of the body of the upper member and crossing at least two from one side surface to the other side surface.
この場合、高分子アクチュエータが、交差して配置されているので、足関節の動作補助を安定して行うことができる。 In this case, since the polymer actuators are arranged so as to cross each other, it is possible to stably assist the movement of the ankle joint.
（５）
制御部は、高分子アクチュエータが発生する力の最大値を予め設定できるように構成されていることが好ましい。
(5)
It is preferable that the control unit is configured so that the maximum value of the force generated by the polymer actuator can be set in advance.
この場合、高分子アクチュエータにおいて生じる力の最大値を設定することができるので、足関節の動作補助装置を使用する場合、装着者の安全を確保しつつ、装着者に応じた補助力を個別設定することができる。 In this case, the maximum value of the force generated in the polymer actuator can be set, so when using an ankle joint motion assist device, the assist force corresponding to the wearer is individually set while ensuring the wearer's safety. can do.
（６）
接地センサまたは高分子アクチュエータの少なくとも一方は、歪に応じた電圧を発生させる高分子からなり、制御部は、発生した電圧を電源部に供給可能に構成されてもよい。
(6)
At least one of the ground sensor and the polymer actuator may be made of a polymer that generates a voltage corresponding to the strain, and the control unit may be configured to be able to supply the generated voltage to the power supply unit.
この場合、接地センサは、応力が与えられることにより電力を発生させるので、その電力は、制御部によって電源部に蓄積することができる。なお、高分子アクチュエータにおいては、力を発揮させていないときに発生した電力を電源部に蓄積するように制御部は構成されている、従って、電源部の小型化が可能となる。また、電源部が同じ容量なら、電力消費を抑制することができるので、長期に亘って足関節の動作補助装置を使用することができる。 In this case, since the ground sensor generates electric power when stress is applied, the electric power can be stored in the power supply unit by the control unit. In the polymer actuator, the control unit is configured to store the power generated when the force is not exerted in the power supply unit, and thus the power supply unit can be reduced in size. Further, if the power source units have the same capacity, power consumption can be suppressed, so that the ankle joint motion assisting device can be used for a long time.
（７）
接地センサは、身体のつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知するものであって、制御部は、接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地を検知した場合、つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータを制御してもよい。
(7)
The ground sensor detects the grounding of the lower member located on the toe side and the heel side of the body, and the control unit detects the grounding of the lower member located on the heel side by a detection signal from the ground sensor. In this case, the polymer actuator may be controlled so as to gradually reduce the torque of the lower member on the toe side that is held in the direction of raising the toe.
この足関節の動作補助装置を装着した場合、踵が接地した後、つま先が徐々に接地する。その結果、足首や膝の動揺を抑え、安定して、歩行することができる。さらに、しゃがみ込み動作等もし易くなる。 When the ankle joint motion assisting device is worn, the toes gradually touch down after the heel touches down. As a result, it is possible to stably walk while suppressing ankle and knee shaking. Furthermore, it becomes easy to perform a squatting operation or the like.
（８）
接地センサは、身体のつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知するものであって、制御部は、接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地を検知した後、つま先側に位置する下側部材の接地を検知した場合、つま先側の下側部材における、つま先が下がる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータを制御してもよい。
(8)
The ground sensor detects the grounding of the lower member located on the toe side and the heel side of the body, and the control unit detects the grounding of the lower member located on the heel side by a detection signal from the ground sensor. After that, when the grounding of the lower member located on the toe side is detected, the polymer actuator may be controlled so as to gradually decrease the torque that the toe side lower member holds in the direction of lowering the toe. Good.
この足関節の動作補助装置を装着した場合、踵が接地して、つま先が接地し、つま先の保持が徐々に解除される。その結果、踵からつま先への体重移動がスムーズに行われ、安定して、自然な歩容で歩行することができる。 When this ankle joint motion assisting device is mounted, the heel is grounded, the toes are grounded, and the holding of the toes is gradually released. As a result, the weight transfer from the heel to the toe is performed smoothly, and it is possible to walk stably and with a natural gait.
（９）
接地センサは、身体のつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知するものであって、制御部は、接地センサからの検知信号によりつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知した後、踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、つま先側の下側部材における、つま先が上がる方向に保持するトルクを、増加させるように高分子アクチュエータを制御してもよい。
(9)
The grounding sensor detects the grounding of the lower member located on the toe side and the heel side of the body, and the control unit detects the grounding of the lower member located on the toe side and the heel side by a detection signal from the grounding sensor. After detecting the ground contact, if the ground contact of the lower member located on the heel side is not detected, the polymer actuator is set so as to increase the torque that holds the toe in the lower direction on the toe side. You may control.
この足関節の動作補助装置を装着した場合、踵およびつま先が接地し、踵が地面から離れた場合に、つま先が鉛直上方向に保持される。その結果、遊脚期の躓きを防止できるとともに、自然な歩容で歩行することができる。 When the ankle joint motion assisting device is mounted, the toes and the toes are grounded, and when the toes are separated from the ground, the toes are held vertically upward. As a result, whispering during the swing phase can be prevented, and walking can be performed with a natural gait.
（１０）
本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法は、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置を制御する制御方法であって、接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地を検知する第１工程と、第１工程の後、つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータを制御する第２工程と、を含むものである。
(10)
A method for controlling an ankle joint motion assisting device according to the present invention is a control method for controlling an ankle joint motion assisting device according to any one of claims 1 to 9, wherein the ankle joint motion assisting device is detected from a ground sensor. First step of detecting the ground contact of the lower member located on the heel side by a signal, and after the first step, the torque for holding the toe in the lower side member of the toe side is gradually decreased. And a second step of controlling the polymer actuator.
本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法においては、第１工程により接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地が検知され、第１工程の後、第２工程によりつま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータが制御される。 In the control method of the ankle joint motion assisting device according to the present invention, the grounding of the lower member located on the heel side is detected by the detection signal from the grounding sensor in the first step, and the second step is performed after the first step. Thus, the polymer actuator is controlled so as to gradually reduce the torque of the lower member on the toe side that is held in the direction of raising the toe.
この場合、踵が接地した後、つま先が徐々に接地する。その結果、足首や膝の動揺を抑え、安定して、自然な歩容で歩行することができる。さらに、しゃがみ込み動作等もし易くなる。 In this case, after the heel is grounded, the toes gradually ground. As a result, it is possible to stably walk with a natural gait while suppressing ankle and knee shaking. Furthermore, it becomes easy to perform a squatting operation or the like.
（１１）
本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法は、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置を制御する制御方法であって、接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地を検知する第１工程と、つま先側に位置する下側部材の接地を検知する第２工程と、第１工程および第２工程の後に、つま先側の下側部材における、つま先を下げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータを制御する第３工程と、を含むものである。
(11)
A method for controlling an ankle joint motion assisting device according to the present invention is a control method for controlling an ankle joint motion assisting device according to any one of claims 1 to 9, wherein the ankle joint motion assisting device is detected from a ground sensor. A first step of detecting grounding of the lower member located on the heel side by a signal, a second step of sensing grounding of the lower member located on the toe side, and the toe side after the first step and the second step And a third step of controlling the polymer actuator so as to gradually reduce the torque of the lower member of the lower member that holds the toes downward.
本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法においては、第１工程により接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地が検知され、第２工程によりつま先側に位置する下側部材の接地が検知され、第１工程および第２工程の後に、第３工程によりつま先側の下側部材における、つま先を下げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータが制御される。 In the control method for an ankle joint motion assisting device according to the present invention, the grounding of the lower member located on the heel side is detected by the detection signal from the grounding sensor in the first step, and the toe side is located in the second step. A polymer actuator is detected so that the grounding of the lower member is detected and, after the first step and the second step, the torque for holding the toe in the lower side member on the toe side by the third step is gradually decreased. Is controlled.
この場合、踵が接地して、つま先が接地し、つま先の保持が徐々に解除される。その結果、踵からつま先への体重移動がスムーズに行われ、安定して、自然な歩容で歩行することができる。 In this case, the heel is grounded, the toes are grounded, and the holding of the toes is gradually released. As a result, the weight transfer from the heel to the toe is performed smoothly, and it is possible to walk stably and with a natural gait.
（１２）
本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法は、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置を制御する制御方法であって、接地センサからの検知信号によりつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知する第４工程と、第４工程の後、踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、増加させるように高分子アクチュエータを制御する第５工程と、を含むものである。
(12)
A method for controlling an ankle joint motion assisting device according to the present invention is a control method for controlling an ankle joint motion assisting device according to any one of claims 1 to 9, wherein the ankle joint motion assisting device is detected from a ground sensor. The fourth step of detecting the grounding of the lower member located on the toe side and the heel side by the signal, and the grounding of the lower member located on the heel side after the fourth step is not detected, And a fifth step of controlling the polymer actuator so as to increase the torque of the lower member that holds the toes in the direction of raising the toes.
本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法においては、第４工程により接地センサからの検知信号によりつま先側および踵側に位置する下側部材の接地が検知され、第４工程の後、第５工程により、踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、増加させるように高分子アクチュエータが制御される。 In the control method of the ankle joint motion assisting device according to the present invention, the grounding of the lower member located on the toe side and the heel side is detected by the detection signal from the grounding sensor in the fourth step, and after the fourth step, When the grounding of the lower member located on the heel side is not detected by the fifth step, the polymer actuator controls to increase the torque that holds the toe in the lower side member in the direction of raising the toe. Is done.
この場合、踵およびつま先が接地し、踵が地面から離れた場合に、つま先が鉛直上方向に保持される。その結果、遊脚期の躓きを防止できるとともに、自然な歩容で歩行することができる。 In this case, when the heel and the toes are grounded and the heel is separated from the ground, the toes are held vertically upward. As a result, whispering during the swing phase can be prevented, and walking can be performed with a natural gait.
以下、本発明に係る実施の形態である足関節の動作補助装置について説明する。また、以下の第１の実施の形態から第４の実施の形態においては、足首に足関節の動作補助装置を適用した状態を説明する。なお、足関節の動作補助装置は、足首に限定されるものではなく、膝関節、股関節にも適用させることができる。以下、足首に足関節の動作補助装置を適用した状態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, an ankle joint motion assisting device according to an embodiment of the present invention will be described. In the following first to fourth embodiments, a state where an ankle joint motion assist device is applied to the ankle will be described. The ankle joint motion assisting device is not limited to the ankle, but can also be applied to the knee joint and the hip joint. Hereinafter, a state where an ankle joint motion assisting device is applied to the ankle will be described with reference to the drawings.
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の一例を示す模式的側面図であり、図２は図１の模式的正面図であり、図３は図１の模式的背面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic side view showing an example of a state in which the ankle joint motion assisting device according to the first embodiment of the present invention is applied to the ankle, and FIG. 2 is a schematic front view of FIG. FIG. 3 is a schematic rear view of FIG.
まず、図１から図３に示すように、足関節の動作補助装置１００は、主に上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００、高分子アクチュエータ５００，５０１および制御ボックス７００を含む。
また、下側部材３００は、一端側下面につま先側接地センサ６１０を有し、中央部に足裏中央部材４１０を有し、他端側下面に踵側接地センサ６２０を有する。
First, as shown in FIGS. 1 to 3, the ankle joint movement assist device 100 mainly includes an upper member 200, a lower member 300, an intermediate member 400, polymer actuators 500 and 501, and a control box 700.
Further, the lower member 300 has a toe side ground sensor 610 on one end side lower surface, a sole center member 410 at the center, and a heel side ground sensor 620 on the other end lower surface.
制御ボックス７００は、主に制御部７１０、電源部７２０、液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display（以下、ＬＣＤと略記する））７３０、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３および固定ベルト７５０を含む。 The control box 700 mainly includes a control unit 710, a power supply unit 720, a liquid crystal display (hereinafter abbreviated as LCD) 730, operation buttons 740 and 741, an adjustment switch 743, and a fixed belt 750.
上側部材２００および下側部材３００は、装着者の身体に密着する程度の柔軟性のある部材等から構成され、少なくとも、高分子アクチュエータ５００，５０１が取付けられる部分においては、高分子アクチュエータ５００，５０１の力を装着者の身体に負荷することが可能な部材から構成される。一方、中間部材４００は、伸縮性のある布部材等から構成されることが好ましい。また、足裏中央部材４１０は、中間部材４００と同様に伸縮性のある布部材から構成される。 The upper member 200 and the lower member 300 are composed of members that are flexible enough to be in close contact with the wearer's body, and at least in the portion where the polymer actuators 500 and 501 are attached, the polymer actuators 500 and 501. It is comprised from the member which can load this force on a wearer's body. On the other hand, the intermediate member 400 is preferably composed of a stretchable cloth member or the like. Further, the sole center member 410 is formed of a stretchable cloth member, like the intermediate member 400.
また、図３に示すように、高分子アクチュエータ５００，５０１は、並列に配置され、高分子アクチュエータ５００，５０１の一端側が、下側部材３００に取付けられ、高分子アクチュエータ５００，５０１の他端側が、上側部材２００に取付けられる。なお、中間部材４００には、高分子アクチュエータ５００，５０１は取付けられていないが、必要に応じて取付けてもかまわない。 As shown in FIG. 3, the polymer actuators 500 and 501 are arranged in parallel, one end side of the polymer actuators 500 and 501 is attached to the lower member 300, and the other end side of the polymer actuators 500 and 501 is , Attached to the upper member 200. The polymer actuators 500 and 501 are not attached to the intermediate member 400, but may be attached as necessary.
高分子アクチュエータ５００，５０１は、シリコンゴムおよび粉末カーボン電極を有する誘電エラストマーからなる。なお、高分子アクチュエータ５００，５０１は、誘電エラストマーに限定されず、イオン導電性高分子、貴金属接合体(Ionic Polymer-Metal Composite:IPMC)、導電性高分子などからなってもよい。つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０は、外部応力が与えられることにより、電圧を発生するもの、例えば誘電エラストマーからなり、所定電圧以上が発生することにより、接地したことを検知するものである。この電圧は、電源部７２０に蓄積されるように後述する制御部７１０が制御を行ってもよい。 The polymer actuators 500 and 501 are made of a dielectric elastomer having silicon rubber and powdered carbon electrodes. The polymer actuators 500 and 501 are not limited to dielectric elastomers, and may be made of an ion conductive polymer, a noble metal-joint (IPMC), a conductive polymer, or the like. The toe side grounding sensor 610 and the heel side grounding sensor 620 are made of a material that generates a voltage when an external stress is applied, for example, a dielectric elastomer, and detects that the grounding occurs when a predetermined voltage or more is generated. is there. This voltage may be controlled by the control unit 710 described later so as to be stored in the power supply unit 720.
また、図１に示すように、足関節の動作補助装置１００を身体の足首に装着させた場合、上側部材２００が足首に装着され、下側部材３００が足先（足の甲および足の裏）に装着され、中間部材４００が踝近傍に装着される。さらに、下側部材３００の一端側に設けられた開口部から、身体の足の指が露出される。 Further, as shown in FIG. 1, when the ankle joint motion assisting device 100 is attached to the ankle of the body, the upper member 200 is attached to the ankle, and the lower member 300 is attached to the toes (instep and sole of the foot). ) And the intermediate member 400 is mounted near the heel. Further, the toes of the body are exposed from the opening provided on one end side of the lower member 300.
さらに、足を接地させている場合には、下側部材３００の一端側下面に設けられたつま先側接地センサ６１０が接地され、下側部材３００の他端側下面に設けられた踵側接地センサ６２０が接地される。 Further, when the foot is grounded, the toe side ground sensor 610 provided on the lower surface of the lower side member 300 is grounded, and the heel side ground sensor provided on the lower surface of the lower side member 300 is disposed on the other side. 620 is grounded.
また、図２および図３に示すように、制御ボックス７００は、足の外側に装着させることにより、歩行時に自分の他の足と衝突することを防止することができる。 As shown in FIGS. 2 and 3, the control box 700 can be prevented from colliding with other feet during walking by being attached to the outside of the foot.
次に、図４は、図１から図３に示した足関節の動作補助装置１００の構成の一例を示す模式的構成図である。 Next, FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a configuration of the ankle joint motion assisting device 100 illustrated in FIGS. 1 to 3.
図４に示すように、足関節の動作補助装置１００において、制御ボックス７００の制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０からの接地したか否かの信号を判定し、さらに、踵側接地センサ６２０からの接地したか否かの信号を判定する。 As shown in FIG. 4, in the ankle joint motion assisting device 100, the control unit 710 of the control box 700 determines whether or not the toe side ground sensor 610 is grounded, and further, the heel side ground sensor 620. The signal of whether or not it is grounded is determined.
また、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３の押下操作を判定し、ＬＣＤ７３０に所定の表示を行う。例えば、制御部７１０は、判定結果に応じて“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等を表示させる。
また、制御部７１０は、調整スイッチ７４３の押下操作にしたがって、高分子アクチュエータ５００，５０１で発生させる力の最大値を設定することができる。すなわち、制御部７１０においては、高分子アクチュエータ５００，５０１に印加する最大電圧を設定させることができる。このように高分子アクチュエータ５００，５０１で発生させる力が装着者に過度にかからないようにすることで、安全を確保しつつ、装着者に応じた補助力を個別に設定することができる。
Further, the control unit 710 determines whether the operation buttons 740 and 741 and the adjustment switch 743 are pressed, and performs a predetermined display on the LCD 730. For example, the control unit 710 displays “fast setting”, “slow setting”, “step climbing setting”, “step climbing setting”, and the like according to the determination result.
Further, the control unit 710 can set the maximum value of the force generated by the polymer actuators 500 and 501 in accordance with the pressing operation of the adjustment switch 743. That is, the control unit 710 can set the maximum voltage to be applied to the polymer actuators 500 and 501. In this way, by preventing the force generated by the polymer actuators 500 and 501 from being excessively applied to the wearer, it is possible to individually set the assisting force according to the wearer while ensuring safety.
制御部７１０は、上記の押下操作による判定の結果に基づき、さらにつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０からの信号に応じて、電源部７２０からの電力を高分子アクチュエータ５００，５０１のいずれか一方または両方に与える。それにより、高分子アクチュエータ５００，５０１に力（またはトルク）が生じて、上側部材２００および下側部材３００の距離および相対位置（装着者の踝における角度）が変化する。その結果、装着者の歩行を補助することができる。 Based on the result of the determination by the above pressing operation, the control unit 710 further supplies the power from the power supply unit 720 to any of the polymer actuators 500 and 501 according to the signals from the toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620. Give to one or both. Thereby, force (or torque) is generated in the polymer actuators 500 and 501, and the distance and the relative position (angle at the wearer's heel) of the upper member 200 and the lower member 300 change. As a result, the wearer's walking can be assisted.
続いて、図５は、制御部７１０の動作の一例を示すフローチャートである。 Next, FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of the operation of the control unit 710.
まず、図５に示すように、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が検知状態か否かを判定する（ステップＳ１）。
すなわち、制御部７１０は、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地したか否かを判定する。ここで、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が検知状態であると判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地しているため、ステップＳ１に戻り処理を繰り返す。
First, as shown in FIG. 5, the control unit 710 determines whether or not the toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620 are in a detection state (step S1).
That is, the control unit 710 determines whether or not the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached is in contact with the ground. Here, when the toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620 determine that the toe side ground sensor 620 is in the detection state, the control unit 710 is in contact with the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is grounded. Returning to step S1, the process is repeated.
一方、制御部７１０がつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が検知状態でないと判定した場合、すなわち、制御部７１０が足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地していないと判定した場合、次に、制御部７１０は、踵側接地センサ６２０が検知状態か否かを判定する（ステップＳ２）。
すなわち、制御部７１０は、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地し始めたか否かを判定している。
On the other hand, when the control unit 710 determines that the toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620 are not in the detection state, that is, the control unit 710 grounds the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached to the ground. If it is determined that it is not, then the control unit 710 determines whether or not the heel-side ground sensor 620 is in a detection state (step S2).
That is, the control unit 710 determines whether or not the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached has started to contact the ground.
制御部７１０が、踵側接地センサ６２０が検知状態でないと判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地し始めていないため、制御部７１０は、ステップＳ２に戻り処理を繰り返す。 If the control unit 710 determines that the heel-side ground sensor 620 is not in the detection state, the control unit 710 returns to step S2 because the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached has not started to contact the ground. Repeat the process.
一方、制御部７１０が、踵側接地センサ６２０が検知状態であると判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地し始めているため、制御部７１０は、つま先側が上がる方向のトルクを徐々に減少させるように高分子アクチュエータ５００，５０１を制御する（ステップＳ３）。それにより、足関節の動作補助装置１００を装着した者が自然に歩くことができる。また、足首や膝の動揺を抑え、安定して、自然な歩容で歩行することができる。さらに、しゃがみ込み動作等もし易くなる。 On the other hand, when the control unit 710 determines that the heel-side ground sensor 620 is in the detection state, the control unit 710 is connected to the toe because the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached starts to contact the ground. The polymer actuators 500 and 501 are controlled so as to gradually decrease the torque in the direction in which the side rises (step S3). Accordingly, a person wearing the ankle joint movement assisting device 100 can walk naturally. In addition, the ankle and knees can be prevented from shaking, and the gait can be walked stably and with a natural gait. Furthermore, it becomes easy to perform a squatting operation or the like.
ここで、制御部７１０は、電源部７２０からの電圧を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御する。なお、電圧による制御のみならず、デューティ比またはパルス幅を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御させてもよい。また、制御部７１０により判定される“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等の歩行の状態に応じて制御させてもよい。 Here, the control unit 710 controls the force generated in the polymer actuators 500 and 501 by changing the voltage from the power supply unit 720. The force generated in the polymer actuators 500 and 501 may be controlled by changing the duty ratio or pulse width as well as the voltage control. Alternatively, the control unit 710 may perform control according to the walking state such as “fast setting”, “slow setting”, “step climbing setting”, “step climbing setting”, and the like.
続いて、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０が検知状態か否かを判定する（ステップＳ４）。ここで、制御部７１０は、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏の全面が地面に接地したか否かを判定している。 Subsequently, the control unit 710 determines whether or not the toe side ground sensor 610 is in a detection state (step S4). Here, the control unit 710 determines whether or not the entire surface of the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached is in contact with the ground.
ここで、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０が検知状態でないと判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏の全面が地面に接地していないため、ステップＳ３に戻り処理を繰り返す。 Here, if the toe side grounding sensor 610 determines that the toe side grounding sensor 610 is not in the detection state, the entire surface of the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached is not grounded, and the process returns to step S3. Repeat the process.
一方、制御部７１０が、つま先側接地センサ６１０が検知状態であると判定した場合、
足関節の動作補助装置１００の装着された足裏の全面が地面に接地したため、つま先側が下がる方向のトルクを徐々に減少させるように高分子アクチュエータ５００，５０１を制御する（ステップＳ５）。それにより、足関節の動作補助装置１００を装着した者が自然に歩くことができる。また、踵が接地して、つま先が接地し、つま先の保持が徐々に解除される。その結果、踵からつま先への体重移動がスムーズに行われ、安定して、簡易に歩行することができる。
On the other hand, when the control unit 710 determines that the toe side ground sensor 610 is in the detection state,
Since the entire surface of the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached is in contact with the ground, the polymer actuators 500 and 501 are controlled so as to gradually reduce the torque in the direction in which the toe side is lowered (step S5). Accordingly, a person wearing the ankle joint movement assisting device 100 can walk naturally. Further, the heel is grounded, the toes are grounded, and the holding of the toes is gradually released. As a result, weight transfer from the heel to the toe is performed smoothly, and it is possible to walk stably and easily.
ここで、制御部７１０は、電源部７２０からの電圧をステップＳ３とは、逆となるよう電圧を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御する。なお、ステップＳ５の処理においても、電圧による制御のみならず、デューティ比またはパルス幅を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御させてもよい。また、制御部７１０により判定される“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等の歩容の状態に応じて制御させてもよい。 Here, the control unit 710 controls the force generated in the polymer actuators 500 and 501 by changing the voltage from the power supply unit 720 to be opposite to that in step S3. In the process of step S5 as well, the force generated in the polymer actuators 500 and 501 may be controlled by changing the duty ratio or pulse width as well as the voltage control. Alternatively, the control unit 710 may perform control according to gait states such as “fast setting”, “slow setting”, “step climbing setting”, “step climbing setting”, and the like.
続いて、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が非検知状態か否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、制御部７１０は、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面から離れたか否かを判定している。 Subsequently, the control unit 710 determines whether or not the toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620 are in a non-detection state (step S6). Here, the control unit 710 determines whether or not the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached has left the ground.
制御部７１０が、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が非検知状態でないと判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面から離れていないため、制御部７１０は、ステップＳ５に戻り処理を繰り返す。 When the control unit 710 determines that the toe side grounding sensor 610 and the heel side grounding sensor 620 are not in the non-detection state, the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached is not separated from the ground. Returns to step S5 and repeats the process.
一方、制御部７１０が、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が非検知状態であると判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面から離れたため、制御部７１０は、つま先側が上がる方向の所定のトルクを瞬間的に発生させるように高分子アクチュエータ５００，５０１を制御する（ステップＳ７）。この場合、踵およびつま先が接地し、踵が地面から離れた場合に、つま先が鉛直上方向に保持される。その結果、遊脚期の躓きを防止できるとともに、自然な歩容にすることができる。 On the other hand, when the control unit 710 determines that the toe side grounding sensor 610 and the heel side grounding sensor 620 are in the non-detected state, the sole on which the ankle joint motion assisting device 100 is attached is separated from the ground. Step 710 controls the polymer actuators 500 and 501 so as to instantaneously generate a predetermined torque in a direction in which the toe side is raised (step S7). In this case, when the heel and the toes are grounded and the heel is separated from the ground, the toes are held vertically upward. As a result, whispering during the swing phase can be prevented and a natural gait can be achieved.
この場合、制御部７１０は、電源部７２０からの電圧をステップＳ３と同じようとなるよう電圧を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御する。なお、ステップＳ７の処理においても、電圧による制御のみならず、デューティ比またはパルス幅を急激に変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を瞬間的に制御させてもよい。また、制御部７１０により判定される“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等の歩容の状態に応じて瞬間的な時間を考慮し、制御させてもよい。なお、制御部７１０では、高分子アクチュエータ５００，５０１に与える電圧の最大値を設定しているので、瞬間的に生じるトルク（または力）を最大値以下にすることができる。 In this case, the control unit 710 controls the force generated in the polymer actuators 500 and 501 by changing the voltage from the power supply unit 720 to be the same as that in step S3. In the process of step S7, the force generated in the polymer actuators 500 and 501 may be instantaneously controlled by abruptly changing the duty ratio or the pulse width in addition to the voltage control. In addition, control is performed in consideration of the instantaneous time according to the state of the gait such as “fast setting”, “slow setting”, “step climbing setting”, “step climbing setting”, and the like determined by the control unit 710. May be. In the control unit 710, since the maximum value of the voltage applied to the polymer actuators 500 and 501 is set, the instantaneously generated torque (or force) can be made equal to or less than the maximum value.
続いて、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１で、ＳＴＯＰが押下操作されたか否かを判定する（ステップＳ８）。すなわち、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１の押下操作がされていないと判定した場合、ステップＳ１に戻りステップＳ１からステップＳ８の処理を繰り返す。 Subsequently, the control unit 710 determines whether or not STOP has been pressed with the operation buttons 740 and 741 (step S8). That is, when it is determined that the operation buttons 740 and 741 are not pressed, the control unit 710 returns to step S1 and repeats the processing from step S1 to step S8.
一方、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１の押下操作がされたと判定した場合、処理を終了する。 On the other hand, when it is determined that the operation button 740 or 741 has been pressed, the control unit 710 ends the process.
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明を行う。以下、第１の実施の形態における足関節の動作補助装置１００と相違する点を重点的に説明を行う。
図６は本発明の第２の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図であり、図７は図６の模式的正面図であり、図８は図６の模式的背面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The following description focuses on differences from the ankle joint motion assisting device 100 according to the first embodiment.
FIG. 6 is a schematic side view showing another example of the state where the ankle joint motion assisting device according to the second embodiment of the present invention is applied to the ankle, and FIG. 7 is a schematic front view of FIG. FIG. 8 is a schematic rear view of FIG.
まず、図６から図８に示すように、足関節の動作補助装置１００ａは、主に上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００、高分子アクチュエータ５０２，５０３および制御ボックス７００を含む。 First, as shown in FIGS. 6 to 8, the ankle joint movement assisting device 100 a mainly includes an upper member 200, a lower member 300, an intermediate member 400, polymer actuators 502 and 503, and a control box 700.
また、図６および図７に示すように、高分子アクチュエータ５０２，５０３は、並列に配置され、高分子アクチュエータ５０２，５０３の一端側が、下側部材３００に取付けられ、高分子アクチュエータ５０２，５０３の他端側が、上側部材２００に取付けられる。なお、高分子アクチュエータ５０２，５０３は、中間部材４００には取付けられていないが、必要に応じて取付けてもかまわない。
また、図８に示すように、足関節の動作補助装置１００ａにおいては、足関節の動作補助装置１００の足の踵側には、高分子アクチュエータを設けない。
Further, as shown in FIGS. 6 and 7, the polymer actuators 502 and 503 are arranged in parallel, and one end side of the polymer actuators 502 and 503 is attached to the lower member 300, and the polymer actuators 502 and 503 The other end is attached to the upper member 200. The polymer actuators 502 and 503 are not attached to the intermediate member 400, but may be attached as necessary.
Further, as shown in FIG. 8, in the ankle joint motion assisting device 100 a, no polymer actuator is provided on the heel side of the foot joint motion assisting device 100.
次に、図９は、図６から図８に示した足関節の動作補助装置１００ａの構成の一例を示す模式的構成図である。 FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing an example of the configuration of the ankle joint motion assisting device 100a shown in FIGS.
図９に示すように、足関節の動作補助装置１００ａにおいて、制御ボックス７００の制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０からの接地したか否かの信号を判定し、さらに、踵側接地センサ６２０からの接地したか否かの信号を判定する。 As shown in FIG. 9, in the ankle joint movement assisting device 100a, the control unit 710 of the control box 700 determines whether or not the toe side ground sensor 610 is grounded, and further, the heel side ground sensor 620 The signal of whether or not it is grounded is determined.
また、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３の押下操作を判定し、ＬＣＤ７３０に所定の表示を行う。例えば、制御部７１０は、判定結果に応じて“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等を表示させる。 Further, the control unit 710 determines whether the operation buttons 740 and 741 and the adjustment switch 743 are pressed, and performs a predetermined display on the LCD 730. For example, the control unit 710 displays “fast setting”, “slow setting”, “step climbing setting”, “step climbing setting”, and the like according to the determination result.
制御部７１０は、上記の押下操作による判定の結果に基づき、さらにつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０からの信号に応じて、電源部７２０からの電力を高分子アクチュエータ５０２，５０３のいずれか一方または両方に与える。 Based on the result of the determination by the above pressing operation, the control unit 710 further supplies the power from the power supply unit 720 to either of the polymer actuators 502 and 503 according to the signals from the toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620. Give to one or both.
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について説明を行う。以下、第１および第２の実施の形態における足関節の動作補助装置１００，１００ａと相違する点を重点的に説明を行う。
図１０、図１１は本発明の第３の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図であり、図１２は図１０、図１１の模式的正面図であり、図１３は図１０、図１１の模式的背面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. Hereinafter, points different from the ankle joint motion assisting devices 100 and 100a in the first and second embodiments will be mainly described.
10 and 11 are schematic side views showing another example of the state where the ankle joint motion assisting device according to the third embodiment of the present invention is applied to the ankle, and FIG. FIG. 13 is a schematic rear view of FIGS. 10 and 11.
まず、図１０から図１３に示すように、足関節の動作補助装置１００ｂは、主に上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００、高分子アクチュエータ５０４，５０５，５０６，５０７および制御ボックス７００を含む。 First, as shown in FIGS. 10 to 13, the ankle joint movement assisting device 100 b mainly includes an upper member 200, a lower member 300, an intermediate member 400, polymer actuators 504, 505, 506, 507 and a control box 700. including.
また、図１０から図１３に示すように、高分子アクチュエータ５０４は、足の甲に相当する部位に設けられ、高分子アクチュエータ５０５は、足の踵に相当する部位に設けられ、高分子アクチュエータ５０６は、足の内踝側に設けられ、高分子アクチュエータ５０７は、足の外踝側に設けられる。高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７の一端側が、下側部材３００に取付けられ、高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７の他端側が、上側部材２００に取付けられる。なお、高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７は、中間部材４００には取付けられていないが、必要に応じて取付けてもかまわない。 Further, as shown in FIGS. 10 to 13, the polymer actuator 504 is provided in a portion corresponding to the instep of the foot, and the polymer actuator 505 is provided in a portion corresponding to the heel of the foot, and the polymer actuator 506 is provided. Is provided on the inner heel side of the foot, and the polymer actuator 507 is provided on the outer heel side of the foot. One end sides of the polymer actuators 504 to 507 are attached to the lower member 300, and the other end sides of the polymer actuators 504 to 507 are attached to the upper member 200. The polymer actuators 504 to 507 are not attached to the intermediate member 400, but may be attached as necessary.
次に、図１４は、図１０から図１３に示した足関節の動作補助装置１００ｂの構成の一例を示す模式的構成図である。 Next, FIG. 14 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the configuration of the ankle joint motion assisting device 100b illustrated in FIGS. 10 to 13.
図１４に示すように、足関節の動作補助装置１００ｂにおいて、制御ボックス７００の制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０からの接地したか否かの信号を判定し、さらに、踵側接地センサ６２０からの接地したか否かの信号を判定する。 As shown in FIG. 14, in the ankle joint movement assisting device 100b, the control unit 710 of the control box 700 determines whether or not the toe side ground sensor 610 is grounded, and further, the heel side ground sensor 620 The signal of whether or not it is grounded is determined.
また、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３の押下操作を判定し、ＬＣＤ７３０に所定の表示を行う。例えば、制御部７１０は、判定結果に応じて“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等を表示させる。 Further, the control unit 710 determines whether the operation buttons 740 and 741 and the adjustment switch 743 are pressed, and performs a predetermined display on the LCD 730. For example, the control unit 710 displays “fast setting”, “slow setting”, “step climbing setting”, “step climbing setting”, and the like according to the determination result.
制御部７１０は、上記の押下操作による判定の結果に基づき、さらにつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０からの信号に応じて、電源部７２０からの電力を高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７のいずれか一つ、または任意の高分子アクチュエータに与える。 Based on the result of the determination by the above pressing operation, the control unit 710 further supplies the electric power from the power supply unit 720 to the polymer actuators 504 to 507 in accordance with signals from the toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620. Or any polymer actuator.
なお、本実施の形態における高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７においては、制御部７１０による制御を高分子アクチュエータ５０４と、高分子アクチュエータ５０５とを逆位相にし、高分子アクチュエータ５０６と、高分子アクチュエータ５０７とを同位相にすることで、足に与える力を大きくすることができる。 In the polymer actuators 504 to 507 in the present embodiment, the control by the control unit 710 causes the polymer actuator 504 and the polymer actuator 505 to be in opposite phases, and the polymer actuator 506 and the polymer actuator 507 are controlled. By making them in phase, the force applied to the foot can be increased.
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明を行う。以下、第１〜第４の実施の形態における足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂと相違する点を重点的に説明を行う。
図１５、図１６は本発明の第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図であり、図１７は図１５、図１６の模式的正面図であり、図１８は図１５、図１６の模式的背面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. Hereinafter, points different from the ankle joint motion assisting devices 100, 100a, 100b in the first to fourth embodiments will be mainly described.
15 and 16 are schematic side views showing another example of the state where the ankle joint motion assisting device according to the fourth embodiment of the present invention is applied to the ankle. FIG. 17 is a schematic side view of FIG. FIG. 18 is a schematic rear view of FIGS. 15 and 16.
まず、図１５から図１８に示すように、足関節の動作補助装置１００ｃは、主に上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００、高分子アクチュエータ５０８，５０９および制御ボックス７００を含む。 First, as shown in FIGS. 15 to 18, the ankle joint movement assisting device 100 c mainly includes an upper member 200, a lower member 300, an intermediate member 400, polymer actuators 508 and 509, and a control box 700.
また、図１５から図１８に示すように、高分子アクチュエータ５０８は、足の甲の一側部から足の足首の上の他側部へ延在する部位に設けられ、高分子アクチュエータ５０９は、足の甲の他側部から足の足首の上の一側部へ延在する部位に設けられ、高分子アクチュエータ５０８，５０９の中央部で互いに交差するように設けられる。高分子アクチュエータ５０８，５０９の一端側が、下側部材３００に取付けられ、高分子アクチュエータ５０８，５０９の他端側が、上側部材２００に取付けられる。なお、高分子アクチュエータ５０８，５０９は、中間部材４００には取付けられていないが、必要に応じて取付けてもかまわない。 Further, as shown in FIGS. 15 to 18, the polymer actuator 508 is provided in a portion extending from one side of the instep to the other side of the ankle of the foot, and the polymer actuator 509 is It is provided at a portion extending from the other side of the instep of the foot to one side above the ankle of the foot, and is provided so as to cross each other at the center of the polymer actuators 508 and 509. One end sides of the polymer actuators 508 and 509 are attached to the lower member 300, and the other end sides of the polymer actuators 508 and 509 are attached to the upper member 200. The polymer actuators 508 and 509 are not attached to the intermediate member 400, but may be attached as necessary.
次に、図１９は、図１５から図１８に示した足関節の動作補助装置１００ｃの構成の一例を示す模式的構成図である。 Next, FIG. 19 is a schematic configuration diagram showing an example of the configuration of the ankle joint motion assisting device 100c shown in FIGS.
図１９に示すように、足関節の動作補助装置１００ｃにおいて、制御ボックス７００の制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０からの接地したか否かの信号を判定し、さらに、踵側接地センサ６２０からの接地したか否かの信号を判定する。 As shown in FIG. 19, in the ankle joint movement assisting device 100c, the control unit 710 of the control box 700 determines whether or not the toe side ground sensor 610 is grounded, and further, the heel side ground sensor 620 The signal of whether or not it is grounded is determined.
また、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３の押下操作を判定し、ＬＣＤ７３０に所定の表示を行う。例えば、制御部７１０は、判定結果に応じて“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等を表示させる。 Further, the control unit 710 determines whether the operation buttons 740 and 741 and the adjustment switch 743 are pressed, and performs a predetermined display on the LCD 730. For example, the control unit 710 displays “fast setting”, “slow setting”, “step climbing setting”, “step climbing setting”, and the like according to the determination result.
制御部７１０は、上記の押下操作による判定の結果に基づき、さらにつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０からの信号に応じて、電源部７２０からの電力を高分子アクチュエータ５０８，５０９のいずれか一つ、または両方の高分子アクチュエータに与える。 Based on the result of the determination by the above pressing operation, the control unit 710 further supplies the power from the power supply unit 720 to either of the polymer actuators 508 and 509 according to the signals from the toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620. One or both polymer actuators.
なお、本実施の形態における高分子アクチュエータ５０８，５０９においては、制御部７１０による制御を高分子アクチュエータ５０８と、高分子アクチュエータ５０９とを同位相にすることで、足に与える力を大きくすることができる。
また、本実施の形態においては、高分子アクチュエータを２個用いることとしたが、之に限定されず、任意の数を交差させるように配設させてもよい。さらに、交差させた状態の高分子アクチュエータを適用してもよい。
In the polymer actuators 508 and 509 in the present embodiment, the force applied to the foot can be increased by setting the polymer actuator 508 and the polymer actuator 509 in phase with the control by the control unit 710. it can.
In the present embodiment, two polymer actuators are used. However, the present invention is not limited to this, and any number of polymer actuators may be arranged to cross each other. Furthermore, a polymer actuator in a crossed state may be applied.
以上のように、第１の実施の形態から第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃによれば、柔軟性のある高分子アクチュエータ５００，〜，５０９、上側部材２００および下側部材３００を用いるため、足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ全体の柔軟性を確保するとともに、当該装置の小型化、軽量化を実現することができ、使用者の肉体的、心理的負担の軽減を図ることができる。高分子アクチュエータ５００，〜，５０９は、電圧を与えることにより、力（トルク）を発生し、足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃを装着した者の動作を補助することができる。 As described above, according to the ankle joint motion assisting devices 100, 100a, 100b, 100c100, 100a, 100b, and 100c according to the first to fourth embodiments, the flexible polymer actuator is flexible. 500,..., 509, the upper member 200, and the lower member 300 are used, so that the flexibility of the ankle joint motion assist devices 100, 100a, 100b, and 100c is ensured, and the device is reduced in size and weight. It is possible to reduce the physical and psychological burden on the user. The polymer actuators 500,..., 509 generate a force (torque) by applying a voltage, and can assist the operation of the person wearing the ankle joint motion assist devices 100, 100a, 100b, 100c.
また、第１および第２の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００，１００ａにおいては、高分子アクチュエータ５００，〜，５０３が、上側部材２００の向こう脛側またはふくらはぎ側に配設されるので、脚の内側および外側に配設されない。その結果、上側部材２００の身体の幅方向に凸部を設けないため、足関節の動作補助装置１００，１００ａを装着して歩行した場合でも、他方の脚と接触することを防止することができる。
また、高分子アクチュエータ５００，５０１および高分子アクチュエータ５０２，５０３をそれぞれ並列して設けているため、高分子アクチュエータを小さくしても同じ力を発生させることができ、力を増大させることもできる。
In the ankle joint motion assisting devices 100 and 100a according to the first and second embodiments, the polymer actuators 500 to 503 are disposed on the shin side or the calf side of the upper member 200. Therefore, it is not disposed on the inside or outside of the leg. As a result, since the convex part is not provided in the width direction of the body of the upper member 200, even when walking with the movement assisting devices 100 and 100a of the ankle joint, it is possible to prevent contact with the other leg. .
Further, since the polymer actuators 500 and 501 and the polymer actuators 502 and 503 are provided in parallel, the same force can be generated even when the polymer actuator is reduced, and the force can be increased.
さらに、第３の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００ｂにおいては、高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７を向こう脛側およびふくらはぎ側の両方に設けた場合、向こう脛側の高分子アクチュエータ５０４と、ふくらはぎ側の高分子アクチュエータ５０５との印加電圧を逆位相にすることにより、大きな力で足関節の動作を補助することができる。また、各アクチュエータを小型化することで配置の自由度を高め、装置全体として小型化を図ることもできる。 Furthermore, in the ankle joint motion assisting device 100b according to the third embodiment, when the polymer actuators 504 to 507 are provided on both the shin side and the calf side, the polymer actuator 504 on the shin side is provided. In addition, by making the applied voltage to the polymer actuator 505 on the calf side in reverse phase, the movement of the ankle joint can be assisted with a large force. In addition, by reducing the size of each actuator, the degree of freedom in arrangement can be increased, and the entire apparatus can be reduced in size.
また、第４の実施の形態における足関節の動作補助装置１００ｃによれば、高分子アクチュエータ５０８，５０９が、交差して配置されているので、足間接の動作補助を安定して行うことができる。 Further, according to the ankle joint motion assisting device 100c in the fourth embodiment, since the polymer actuators 508 and 509 are arranged so as to cross each other, the indirect motion assist can be stably performed. .
第１の実施の形態から第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃによれば、高分子アクチュエータ５００，〜，５０９において生じる力の最大値を設定することができるので、足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃを使用する場合、着者の安全を確保しつつ、装着者に応じた補助力を個別設定することができる。 According to the ankle joint motion assisting devices 100, 100a, 100b, and 100c according to the first to fourth embodiments, the maximum value of the force generated in the polymer actuators 500 to 509 is set. Therefore, when using the ankle joint motion assist devices 100, 100a, 100b, and 100c, it is possible to individually set the assisting force according to the wearer while ensuring the wearer's safety.
また、第１の実施の形態から第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃによれば、つま先側接地センサ６１０、踵側接地センサ６２０は、外部から力を与えることにより電位を発生させるので、電源部７２０に蓄積することができる。したがって、同じ電源容量であれば、長期に亘って足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃを使用することができる。なお、電源容量を小さくすることで使用時間は変えずに、装置全体を小型化することもできる。 In addition, according to the ankle joint motion assist devices 100, 100a, 100b, and 100c according to the first to fourth embodiments, the toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620 are externally applied with force. Is applied to generate a potential, and can be stored in the power supply unit 720. Therefore, if the power supply capacity is the same, the ankle joint motion assisting devices 100, 100a, 100b, and 100c can be used over a long period of time. Note that by reducing the power supply capacity, the entire apparatus can be reduced in size without changing the operating time.
なお、第１の実施の形態から第４の実施の形態においては、上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００が連続的に形成されている場合について説明したが、これに限定されず、上側部材２００および中間部材４００、下側部材３００および中間部材４００のいずれか一方が接着されていてもよい。また、上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００においては、さらなる計量化のため、強度および屈曲性が低下しすぎない状態で形状を変化させてもよい。例えば、上側部材２００の一部に大きな孔形状を設けてもよい。更に中間部材４００をなくしてもかまわない。
また、下側部材３００は、指が露出しているが、指を完全に覆うものであってもかまわない。
In the first embodiment to the fourth embodiment, the case where the upper member 200, the lower member 300, and the intermediate member 400 are continuously formed has been described. However, the present invention is not limited to this. Any one of the upper member 200 and the intermediate member 400, the lower member 300, and the intermediate member 400 may be bonded. Further, the shape of the upper member 200, the lower member 300, and the intermediate member 400 may be changed in a state where the strength and the flexibility are not excessively lowered for further measurement. For example, a large hole shape may be provided in a part of the upper member 200. Further, the intermediate member 400 may be omitted.
Further, although the lower member 300 has the finger exposed, the lower member 300 may completely cover the finger.
また、本実施の形態においては、制御ボックス７００を足首より上方の足に装着することとしたが、これに限定されず、腕に制御ボックス７００を装着することとしてもよく、また踵の下に装着するようにしてもよい。 In this embodiment, the control box 700 is attached to a foot above the ankle. However, the present invention is not limited to this, and the control box 700 may be attached to the arm, or under the heel. You may make it wear.
なお、高分子アクチュエータ５００，〜，５０９は、シリコンゴムおよび粉末カーボン電極を有する誘電エラストマーからなる。なお、高分子アクチュエータ５００，〜，５０９は、誘電エラストマーに限定されず、イオン導電性高分子、貴金属接合体(Ionic Polymer-Metal Composite:IPMC)、導電性高分子からなってもよい。また、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０は誘電エラストマーとしたが、圧電素子や、機械的なスイッチであってもかまわない。 The polymer actuators 500 to 509 are made of a dielectric elastomer having silicon rubber and powdered carbon electrodes. The polymer actuators 500 to 509 are not limited to dielectric elastomers, and may be made of an ion conductive polymer, a noble metal bonded body (Ionic Polymer-Metal Composite: IPMC), or a conductive polymer. The toe side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620 are made of dielectric elastomer, but may be piezoelectric elements or mechanical switches.
第１から第４の実施の形態においては、上側部材２００が上側部材に相当し、下側部材３００が上側部材に相当し、高分子アクチュエータ５００，〜，５０９が高分子アクチュエータに相当し、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が接地センサに相当し、制御部７１０が制御部に相当し、電源部７２０が電源部に相当し、足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃが足関節の動作補助装置に相当し、ステップＳ２の処理が、第１工程および第３工程に相当し、ステップＳ３の処理が、第２工程に相当し、ステップＳ４の処理が、第４工程に相当し、ステップＳ５の処理が、第５工程に相当し、ステップＳ６の処理が、第６工程に相当し、ステップＳ７の処理が、第７工程に相当する。 In the first to fourth embodiments, the upper member 200 corresponds to the upper member, the lower member 300 corresponds to the upper member, the polymer actuators 500 to 509 correspond to the polymer actuator, and the toes. The side ground sensor 610 and the heel side ground sensor 620 correspond to the ground sensor, the control unit 710 corresponds to the control unit, the power source unit 720 corresponds to the power source unit, and the ankle joint motion assist devices 100, 100a, 100b, 100c. Corresponds to the ankle joint movement assist device, the process of step S2 corresponds to the first process and the third process, the process of step S3 corresponds to the second process, and the process of step S4 is the fourth process. The process in step S5 corresponds to the fifth process, the process in step S6 corresponds to the sixth process, and the process in step S7 corresponds to the seventh process.
本発明の好ましい一実施の形態は上記の通りであるが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。 A preferred embodiment of the present invention is as described above, but the present invention is not limited thereto. It will be understood that various other embodiments may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Furthermore, in this embodiment, although the effect | action and effect by the structure of this invention are described, these effect | actions and effects are examples and do not limit this invention.
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ 足関節の動作補助装置
２００ 上側部材
３００ 下側部材
５００，〜，５０９ 高分子アクチュエータ
６１０ つま先側接地センサ
６２０ 踵側接地センサ
７１０ 制御部
７２０ 電源部
100, 100a, 100b, 100c Ankle joint motion assisting device 200 Upper member 300 Lower member 500, ..., 509 Polymer actuator 610 Toe side ground sensor 620 Bone side ground sensor 710 Control unit 720 Power supply unit
Claims (12)
身体の足関節の下方に装着される下側部材と、
前記上側部材と前記下側部材とに接続され、前記下側部材を前記上側部材に対して前記足関節を中心に回動させるように配設された高分子アクチュエータと、
前記下側部材が接地しているか否かを検知する接地センサと、
前記接地センサの検知状況に応じて前記高分子アクチュエータを制御する制御部と、
前記高分子アクチュエータに電力を供給する電源部と、を含むことを特徴とする足関節の動作補助装置。 An upper member mounted above the ankle of the body;
A lower member mounted below the ankle joint of the body;
A polymer actuator connected to the upper member and the lower member and arranged to rotate the lower member with respect to the upper member around the ankle joint;
A grounding sensor for detecting whether or not the lower member is grounded;
A controller that controls the polymer actuator according to the detection status of the ground sensor;
And a power supply unit that supplies power to the polymer actuator.
前記身体に対して向こう脛側またはふくらはぎ側の少なくとも一方の側に配置されることを特徴とする請求項１記載の足関節の動作補助装置。 The polymer actuator is
The ankle joint motion assisting device according to claim 1, wherein the ankle joint motion assisting device is disposed on at least one side of the shin side or calf side with respect to the body.
前記制御部は、前記発生した電圧を電源部に供給可能に構成されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。 The ground sensor is made of a polymer that generates a voltage according to strain,
6. The ankle joint movement assisting device according to claim 1, wherein the control unit is configured to be able to supply the generated voltage to a power supply unit. 6.
前記制御部は、前記接地センサからの検知信号により前記踵側に位置する下側部材の接地を検知した場合、前記つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように前記高分子アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。 The ground sensor detects the ground of the lower member located on the toe side and the heel side of the body,
When the control unit detects the grounding of the lower member positioned on the heel side based on the detection signal from the grounding sensor, the control unit gradually increases the torque that holds the toe in the lower member of the toe side in the direction of raising the toe. The ankle joint motion assisting device according to any one of claims 1 to 6, wherein the polymer actuator is controlled so as to be decreased.
前記制御部は、前記接地センサからの検知信号により前記踵側に位置する下側部材の接地を検知した後、前記つま先側に位置する下側部材の接地を検知した場合、前記つま先側の下側部材における、つま先が下がる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように前記高分子アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。 The ground sensor detects the ground of the lower member located on the toe side and the heel side of the body,
When the control unit detects the grounding of the lower member positioned on the toe side after detecting the grounding of the lower member positioned on the heel side based on the detection signal from the grounding sensor, The ankle joint according to any one of claims 1 to 7, wherein the polymer actuator is controlled so as to gradually reduce a torque of the side member that is maintained in a direction in which the toes are lowered. Operation assistance device.
前記制御部は、前記接地センサからの検知信号により前記つま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知した後、前記踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、前記つま先側の下側部材における、つま先が上がる方向に保持するトルクを、増加させるように前記高分子アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。 The ground sensor detects the ground of the lower member located on the toe side and the heel side of the body,
When the control unit detects the grounding of the lower member located on the toe side and the heel side based on the detection signal from the grounding sensor, the grounding of the lower member located on the heel side is not detected. 9. The polymer actuator according to any one of claims 1 to 8, wherein the polymer actuator is controlled so as to increase a torque of the lower member on the toe side that is maintained in a direction in which the toes are raised. Ankle joint motion assist device.
前記接地センサからの検知信号により前記踵側に位置する下側部材の接地を検知する第１工程と、
前記第１工程の後、前記つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように前記高分子アクチュエータを制御する第２工程と、を含むことを特徴とする足関節の動作補助装置の制御方法。 A control method for controlling the ankle joint movement assist device according to any one of claims 1 to 9,
A first step of detecting grounding of the lower member located on the heel side by a detection signal from the grounding sensor;
After the first step, the second step of controlling the polymer actuator so as to gradually reduce the torque of the lower member on the toe side that holds the toe in the direction of raising the toe, Control method for ankle joint movement assisting device.
前記接地センサからの検知信号により前記踵側に位置する下側部材の接地を検知する第３工程と、
前記つま先側に位置する下側部材の接地を検知する第４工程と、
前記第３工程および前記第４工程の後に、前記つま先側の下側部材における、つま先を下げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように前記高分子アクチュエータを制御する第５工程と、を含むことを特徴とする足関節の動作補助装置の制御方法。 A control method for controlling the ankle joint movement assist device according to any one of claims 1 to 9,
A third step of detecting grounding of the lower member located on the heel side by a detection signal from the grounding sensor;
A fourth step of detecting ground contact of the lower member located on the toe side;
After the third step and the fourth step, a fifth step of controlling the polymer actuator so as to gradually reduce the torque of the lower member on the toe side that is held in the direction of lowering the toe. A method for controlling an ankle joint motion assisting device, comprising:
前記接地センサからの検知信号により前記つま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知する第６工程と、
前記第６工程の後、前記踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、前記つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、増加させるように前記高分子アクチュエータを制御する第７工程と、を含むことを特徴とする足関節の動作補助装置の制御方法。
A control method for controlling the ankle joint movement assist device according to any one of claims 1 to 9,
A sixth step of detecting the grounding of the lower member located on the toe side and the heel side by a detection signal from the grounding sensor;
After the sixth step, when the ground contact of the lower member located on the heel side is not detected, the torque to be held in the direction of raising the toe in the lower member of the toe side is increased so as to increase the torque. And a seventh step of controlling the polymer actuator.
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