JP2014223195A - Walking support device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a walking support device which can satisfactorily assist and support walking of a humann in a simple structure.SOLUTION: The walking support device includes: an upper thigh link 12 extended along the upper thigh of a user during mounting; a lower thigh link 14 extended along the lower thigh of the human; a foot link 20 extended along the leg of the human; a direct acting actuator 40 extended to a space between the upper thigh link and the foot link; an upper revolute pair 30 connecting the upper thigh link and the direct acting actuator to each other; a lower revolute pair 30' connecting the direct acting actuator and the foot link to each other; a knee revolute pair 18 connecting the upper thigh link and the lower thigh link to each other; and an ankle revolute pair 18' connecting the lower thigh link and the foot link to each other. The knee revolute pair and the ankle revolute pair have brakes respectively.

Description

本発明は、ヒトの歩行支援装置に関する。   The present invention relates to a human walking support device.

疾病、怪我の後遺症や、高齢等の原因から歩行が不自由ではあるものの、未だ自力歩行が可能である者の歩行を補助、支援する歩行支援装置は従来から開発されている。例えば、特許文献1には、ユーザーの大腿から下腿に沿って外側に装着される脚装具が開示されている。この脚装具は、ユーザーの大腿に副わせて取り付けられる上リンクと、ユーザーの下腿に副わせて取り付けられる下リンクとを有し、ユーザーの膝関節に位置する上下リンクの間のジョイント部にモータが取り付けられている。   2. Description of the Related Art Walking assist devices that assist and assist the walking of people who are unable to walk due to the after-effects of illness, injury, etc., but who are still capable of walking on their own, have been developed. For example, Patent Document 1 discloses a leg brace that is worn on the outer side from the user's thigh to the lower leg. This leg brace has an upper link attached to the user's thigh and a lower link attached to the user's lower leg, and a motor is provided at the joint between the upper and lower links located at the user's knee joint. Is attached.

特許文献2には、人体の体幹部を保持する体幹部保持手段と、該体幹保持手段に取り付けられ人体の下肢に沿って延設される棒状部材と第2棒状部材とを有し、体幹保持手段と第1棒状部材との間の第1回動部および第1棒状部材と第2棒状部材との間の第2回動部にアクチュエータを設けた歩行補助装置が開示されている。   Patent Document 2 includes a trunk holding means for holding the trunk of the human body, a rod-like member attached to the trunk holding means and extending along the lower limb of the human body, and a second rod-like member, A walking assist device is disclosed in which actuators are provided in a first rotating portion between the trunk holding means and the first rod-shaped member and a second rotating portion between the first rod-shaped member and the second rod-shaped member.

更に、非特許文献1には、ユーザーの下半身の全ての関節を拘束して歩行運動を支援する、シリアル機構を用いた装置が記載されている。非特許文献2の装置ではパラレル機構を用いて外骨格を形成する歩行支援装置が記載されており、これのみでユーザーの下半身の運動を決定するために多くのアクチュエータを必要としている。   Further, Non-Patent Document 1 describes an apparatus using a serial mechanism that supports walking motion by restraining all joints of the lower body of the user. The device of Non-Patent Document 2 describes a walking support device that forms an exoskeleton using a parallel mechanism, and this alone requires many actuators to determine the movement of the user's lower body.

特開2011−177329号公報JP 2011-177329 A 特開2007−159971号公報JP 2007-159971 A

山崎嘉之、「筋電位を用いた歩行支援のための外骨格パワーアシストシステムHAL-1に関する研究」、日本機械学会茨城講演会講演論文集、(2000), pp.269-270Yoshiyuki Yamazaki, "Study on exoskeleton power assist system HAL-1 for walking support using myoelectric potential", Proceedings of the Japan Society of Mechanical Engineers Ibaraki Lecture, (2000), pp.269-270 田中栄一郎他、「足裏から下肢全体を支援する歩行補助機の開発」、日本機械学会論文集(C編)、Vol.72, No.724, (2006), pp.3871-3877Eiichiro Tanaka et al., “Development of a walking assist device that supports the entire leg from the sole”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), Vol.72, No.724, (2006), pp.3871-3877

特許文献1の発明では、上リンクはユーザーの大腿の上端および下端の近傍、つまり股関節の下側と膝関節の上側で上リンクが大腿の側面に固定され、下リンクはユーザーの下腿の上端および下端の近傍、つまり膝関節の下側と足首関節の上側で下腿の側面に固定されている。然しながら、人体の関節は多くの要素から成る複雑な器官であり、その運動は単純な回転対偶とは異なるので、特許文献1の発明のように、脚装具によって下肢を拘束してしまうと、関節、特に膝関節に本来不要な負担を生じる問題がある。   In the invention of Patent Document 1, the upper link is fixed to the side of the thigh near the upper end and lower end of the user's thigh, that is, the lower side of the hip joint and the upper side of the knee joint, and the lower link is the upper end of the user's lower leg and It is fixed to the side of the lower leg near the lower end, that is, below the knee joint and above the ankle joint. However, the joint of the human body is a complex organ composed of many elements, and its movement is different from that of a simple rotating pair. Therefore, as in the invention of Patent Document 1, if the leg is restrained by a leg brace, In particular, there is a problem of causing an unnecessary burden on the knee joint.

また、特許文献2の発明では複数のアクチュエータを用いているため、制御が難しくなるのみならず、重量およびコストが増加してしまう問題がある。更に、特許文献2の発明は、装着脚の随意運動の支援を意図した装置であり、左右何れかの脚が麻痺を生じ、随意運動ができない場合を想定していない。   Further, since the invention of Patent Document 2 uses a plurality of actuators, there is a problem that not only control becomes difficult, but also weight and cost increase. Furthermore, the invention of Patent Document 2 is an apparatus intended to support voluntary movement of the wearing leg, and does not assume a case where either the left or right leg is paralyzed and cannot voluntarily move.

非特許文献1の歩行支援装置では、ユーザーの下半身の全ての関節を拘束しているため、特許文献1と同様にユーザーの下肢の関節に不要な負担を生じ、更に、非特許文献1、2の装置では多数のアクチュエータが用いられているために、特許文献2の発明と同様に、制御が難しくなるのみならず、重量およびコストが増加してしまう問題がある。   In the walking support device of Non-Patent Document 1, since all the joints of the lower body of the user are restrained, an unnecessary burden is generated on the joints of the user's lower limbs as in Patent Document 1, and further, Since a large number of actuators are used in this apparatus, control is difficult as well as the invention of Patent Document 2, and there is a problem that the weight and cost increase.

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、簡単な構成で良好にヒトの歩行を補助、支援可能な歩行支援装置を提供することを目的としている。   An object of the present invention is to solve such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a walking support device that can easily assist and support human walking with a simple configuration.

請求項1に記載の本発明は、装着時にヒトの上腿に副わせて延設される上腿リンクと、装着時にヒトの下腿に副わせて延設される下腿リンクと、装着時にヒトの足に副わせて延設される足リンクと、前記上腿リンクと足リンクとの間に延設された直動アクチュエータと、前記上腿リンクと前記直動アクチュエータとを連結する上回転対偶と、前記直動アクチュエータと前記足リンクとを連結する下回転対偶と、前記上腿リンクと下腿リンクとを連結する膝回転対偶と、前記下腿リンクと足リンクとを連結する足首回転対偶とを具備し、前記膝回転対偶と前記足首回転対偶がブレーキを備えていることを特徴とする。   The present invention described in claim 1 includes an upper leg link extending along the human upper leg when worn, a lower leg link extending next to the human lower leg when worn, and a human link when worn. A foot link extending along the foot, a linear motion actuator extending between the upper thigh link and the foot link, and an upper rotational pair for connecting the upper thigh link and the linear motion actuator; A lower rotation pair for connecting the linear actuator and the foot link; a knee rotation pair for connecting the upper leg link and the lower leg link; and an ankle rotation pair for connecting the lower leg link and the foot link. The knee rotation pair and the ankle rotation pair have a brake.

本発明による歩行支援装置は、1つの直動アクチュエータと2つのブレーキによって、ヒトの歩行動作を創成可能であり、従来技術と比較して制御が容易で、重量および製造コストが低減される。   The walking assist device according to the present invention can create a human walking motion by one linear motion actuator and two brakes, and is easier to control than the prior art, and the weight and manufacturing cost are reduced.

第1の実施形態による歩行支援装置の斜視図である。It is a perspective view of the walk assistance device by a 1st embodiment. 図1の歩行支援装置の側面図である。It is a side view of the walking assistance apparatus of FIG. 下腿リンクの斜視図である。It is a perspective view of a leg link. 足リンクの斜視図である。It is a perspective view of a foot link. 上回転対偶を形成する第1の連結機構の斜視図である。It is a perspective view of the 1st connection mechanism which forms an upper rotation pair. 直動アクチュエータの斜視図である。It is a perspective view of a linear motion actuator. 直動アクチュエータの機関部の側面図である。It is a side view of the engine part of a linear actuator. ヒトの一方の下肢に装着した図1の歩行支援装置の略図である。FIG. 2 is a schematic view of the walking support device of FIG. 1 attached to one lower limb of a human. 図1の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the walking assistance apparatus of FIG. 図1の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the walking assistance apparatus of FIG. 図1の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the walking assistance apparatus of FIG. 図1の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the walking assistance apparatus of FIG. ヒトの歩行運動モデルの一例を示す略図である。It is a schematic diagram showing an example of a human walking movement model. 図11に示した歩行運動モデルに沿った図1の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the walking assistance apparatus of FIG. 1 along the walking movement model shown in FIG. 図1の歩行支援装置の直動アクチュエータの変位を、膝回転対偶および足首回転対偶を形成する第1と第2のブレーキの固定と解放のタイミングと共に示したチャートである。It is the chart which showed the displacement of the linear motion actuator of the walk assistance device of Drawing 1 with the timing of fixation and release of the 1st and 2nd brakes which form a knee rotation pair and an ankle rotation pair. 歩行支援装置の計装システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the instrumentation system of a walk assistance apparatus. 歩行支援装置の制御方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the control method of a walk assistance device. 第2の実施形態による歩行支援装置の図1と同様の斜視図である。It is a perspective view similar to FIG. 1 of the walking assistance apparatus by 2nd Embodiment. 図16の歩行支援装置の側面図である。It is a side view of the walking assistance apparatus of FIG. 図16の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the walking assistance apparatus of FIG. 図16の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the walking assistance apparatus of FIG. 図16の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the walking assistance apparatus of FIG. 図16の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the walking assistance apparatus of FIG. 図16の歩行支援装置の直動アクチュエータの変位を、膝回転対偶および足首回転対偶を形成する第1と第2のブレーキの固定と解放のタイミングと共に示したチャートである。It is the chart which showed the displacement of the linear motion actuator of the walk assistance device of Drawing 16 with the timing of fixation and release of the 1st and 2nd brakes which form a knee rotation pair and an ankle rotation pair.

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず、図1、2において、第1の実施形態による歩行支援装置100は、上腿リンク12、下腿リンク14、足リンク20、上腿リンク12と足リンク20との間に延設された直動アクチュエータ40、上腿リンク12と直動アクチュエータ40とを連結する上回転対偶を形成する第1の連結機構30、直動アクチュエータ40と足リンク20とを連結する下回転対偶を形成する第2の連結機構30′、上腿リンク12と下腿リンク14とを連結する膝回転対偶を形成する第1のブレーキ18、下腿リンク14と足リンク20とを連結する足首回転対偶を形成する第2のブレーキ18′を主要な構成要素として具備している。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, in FIGS. 1 and 2, the walking support device 100 according to the first embodiment includes an upper thigh link 12, a lower thigh link 14, a foot link 20, and a straight line extending between the upper thigh link 12 and the foot link 20. The first coupling mechanism 30 that forms the upper rotary pair that connects the moving actuator 40, the upper leg link 12 and the linear actuator 40, and the second that forms the lower rotational pair that connects the linear actuator 40 and the foot link 20. The first brake 18 that forms the knee rotation pair that connects the upper leg link 12 and the lower leg link 14, and the second brake that forms the ankle rotation pair that connects the lower leg link 14 and the foot link 20. A brake 18 'is provided as a main component.

第1と第2のブレーキ18、18′は実質的に同一の構造を有しており、ハウジング内に回転自在に支持された回転軸と、該回転軸の回転を許容、禁止可能な機械要素、例えば、クラッチや、磁性粉体(パウダーブレーキ)等を含んでいる。第1と第2のブレーキ18、18′は固定トルクの増大などのために遊星歯車などの減速機構を含んでいてもよい。歩行支援装置100の動作を円滑にするためには、第1と第2のブレーキ18、18′の固定、解放動作に際してトルク変動の緩やかなものが好ましい。   The first and second brakes 18 and 18 'have substantially the same structure, a rotating shaft rotatably supported in the housing, and a mechanical element that allows and prohibits the rotation of the rotating shaft. For example, a clutch, magnetic powder (powder brake), etc. are included. The first and second brakes 18 and 18 'may include a speed reduction mechanism such as a planetary gear for increasing the fixed torque. In order to make the walking assist device 100 operate smoothly, it is preferable that the first and second brakes 18, 18 ′ have a gentle torque fluctuation during the fixing and releasing operations.

図3を参照すると、下腿リンク14は、互いに平行に延設された複数の、本実施形態では2本の棒状部材14aと、該棒状部材14aの両端に取り付けられた対偶ブロック16とを具備している。対偶ブロック16は、棒状部材14aに対して垂直方向に延びる回転軸16aを回転自在に支持しており、該回転軸16aは第1と第2のブレーキ18、18′の回転軸に連結されるようになっている。棒状部材14aは、断面が円形、矩形その他の多角形状の中実または中空の金属製またはプラスチック製の長尺部材である。   Referring to FIG. 3, the crus link 14 includes a plurality of, in the present embodiment, two rod-like members 14 a extending in parallel with each other, and an even-numbered block 16 attached to both ends of the rod-like member 14 a. ing. The even block 16 rotatably supports a rotating shaft 16a extending in a direction perpendicular to the rod-shaped member 14a, and the rotating shaft 16a is connected to the rotating shafts of the first and second brakes 18, 18 '. It is like that. The rod-shaped member 14a is a solid or hollow metal or plastic long member having a circular, rectangular or other polygonal cross section.

上回転対偶と下回転対偶を形成する第1と第2の連結機構30、30′は実質的に同一の構成を有しているので、以下、第1の連結機構30についてのみ説明する。図1、2に加えて図5を参照すると、第1の連結機構30は、軸線Oに沿って互いに離間配置された軸受ブロック32、34と該軸受ブロック32、34を連結する連結プレート36とを有して略コの字形に形成されたブロック本体を具備している。軸受ブロック32、34は、軸線Oを中心とした貫通穴32a、34aを有している。一方の軸受ブロック34は、一方の側面において軸線O上にポテンショメータやロータリーエンコーダ等の回転角度センサー38が取り付けられている。   Since the first and second coupling mechanisms 30 and 30 'forming the upper rotating pair and the lower rotating pair have substantially the same configuration, only the first coupling mechanism 30 will be described below. Referring to FIG. 5 in addition to FIGS. 1 and 2, the first connecting mechanism 30 includes bearing blocks 32 and 34 that are spaced apart from each other along the axis O, and a connecting plate 36 that connects the bearing blocks 32 and 34. And a block main body formed in a substantially U-shape. The bearing blocks 32, 34 have through holes 32 a, 34 a centering on the axis O. One bearing block 34 has a rotation angle sensor 38 such as a potentiometer or a rotary encoder mounted on the axis O on one side surface.

上腿リンク12は、概ね下腿リンク14と同様に構成されており、互いに平行に延設された複数の、本実施形態では、4本の棒状部材12aを具備している。該棒状部材12aにおいて装着時にユーザーの腰部に隣接した一端は、第1の連結機構30と同様に形成された第3の連結機構30″を介して装着部10に連結される。棒状部材12aの他端は、膝回転対偶としての第1のブレーキ18のハウジングに固定されている。棒状部材12aは、断面が円形、矩形その他の多角形状の中実または中空の金属製またはプラスチック製の長尺部材である。   The upper thigh link 12 is generally configured in the same manner as the lower thigh link 14, and includes a plurality of, in the present embodiment, four rod-like members 12a extending in parallel to each other. One end of the rod-shaped member 12a adjacent to the user's waist when mounted is connected to the mounting portion 10 via a third connecting mechanism 30 ″ formed in the same manner as the first connecting mechanism 30. The other end is fixed to the housing of the first brake 18 as a knee rotation pair.The rod-like member 12a is a solid or hollow metal or plastic long section having a circular, rectangular or other polygonal cross section. It is a member.

図4を参照すると、足リンク20は、ユーザーの足裏を支持する平板状のベース部22、該ベース部22の一方の側縁に沿ってベース部22の上面から突出する一対のブラケット24、26、および、該ブラケット24、26に取り付けられた複数の、本実施形態では、4本の棒状部材28を具備している。棒状部材28は、ブラケット24、26から水平に後方へ、つまり、装着時にユーザーの爪先とは反対側へ踵の後方に位置する足リンク20の延長部を形成する。該足リンク20の延長部としての棒状部材28には、下回転対偶を形成する第2の連結機構30′を介して直動アクチュエータ40が連結される。なお、足リンク20は、ベース部22の上にユーザーがその一方の足を載せ、ベルト(図示せず)等の拘束手段によってベース部22に足を固定するようになっている。棒状部材28は、断面が円形、矩形その他の多角形状の中実または中空の金属製またはプラスチック製の長尺部材である。   Referring to FIG. 4, the foot link 20 includes a flat base portion 22 that supports a user's sole, and a pair of brackets 24 that protrude from the upper surface of the base portion 22 along one side edge of the base portion 22. 26 and a plurality of rod-shaped members 28 attached to the brackets 24 and 26 in this embodiment. The rod-shaped member 28 forms an extension of the foot link 20 that is located rearward from the brackets 24 and 26 horizontally, that is, opposite to the user's toes when worn, behind the heel. A linear motion actuator 40 is connected to a rod-like member 28 as an extension of the foot link 20 via a second connection mechanism 30 ′ that forms a lower rotation pair. The foot link 20 is configured such that the user places one foot on the base portion 22 and fixes the foot to the base portion 22 by a restraining means such as a belt (not shown). The rod-shaped member 28 is a solid or hollow metal or plastic long member having a circular, rectangular or other polygonal cross section.

図6、7を参照すると、本実施形態では、直動アクチュエータ40は、機関部50と、該機関部50に固定された第1静止リンク42と、クランク63と、連接棒64を介して第2静止リンク44に対して長手方向に直線的に往復自在に連結された可動リンク66とを主要な構成要素として具備して、スライダクランク機構を形成している。第1静止リンク42は、平行に延設された複数の、本実施形態では、2本の棒状部材より成り、その一端が機関部50のベース部52に固定され、他端に既述した対偶ブロック16と同様の対偶ブロック46が固定されている。第2静止リンク44は、平行に延設された複数の、本実施形態では、2本の棒状部材より成り、その一端がベース部52に固定され、他端に既述した対偶ブロック16と同様の対偶ブロック48が固定される。また、第1静止リンク42と第2静止リンク44は、直動アクチュエータ40の長手方向に互いに平行に延設されている。本実施形態において、第1静止リンク42および第2静止リンク44を形成する棒状部材は、断面が円形、矩形その他の多角形状の中実または中空の金属製またはプラスチック製の長尺部材である。   Referring to FIGS. 6 and 7, in this embodiment, the direct acting actuator 40 includes an engine unit 50, a first stationary link 42 fixed to the engine unit 50, a crank 63, and a connecting rod 64. A movable link 66 linearly reciprocally connected to the stationary link 44 in the longitudinal direction is provided as a main component to form a slider crank mechanism. The first stationary link 42 is composed of a plurality of, in the present embodiment, two rod-like members extending in parallel, one end of which is fixed to the base portion 52 of the engine portion 50 and the other end described above at the other end. A kinematic block 46 similar to the block 16 is fixed. In the present embodiment, the second stationary link 44 is composed of a plurality of two rod-shaped members, one end of which is fixed to the base portion 52 and the other end is the same as the kinematic block 16 described above. The kinematic block 48 is fixed. The first stationary link 42 and the second stationary link 44 extend in parallel to each other in the longitudinal direction of the linear actuator 40. In the present embodiment, the rod-shaped members forming the first stationary link 42 and the second stationary link 44 are long members made of solid or hollow metal or plastic having a circular, rectangular or other polygonal cross section.

機関部50は、上述したベース部52に固定された変速機54および該変速機54に取り付けられたモータ56を具備している。モータ56の出力軸56aには出力プーリー58が取り付けられている。変速機54の入力軸54aには入力プーリー60が取り付けられており、出力プーリー58と入力プーリー60とはベルト62によって連結されている。変速機54の出力軸54bは、クランク63と連接棒64を介して可動ブロック66に連結されている。また、機関部50のベース部52には、第1静止リンク42および第2静止リンク44に平行に延設されたガイドロッド68が取り付けられており、可動ブロック66はガイドロッド68に沿ってベース部52に対して延設方向に接近、離反可能となっている。   The engine unit 50 includes a transmission 54 fixed to the base unit 52 described above and a motor 56 attached to the transmission 54. An output pulley 58 is attached to the output shaft 56 a of the motor 56. An input pulley 60 is attached to the input shaft 54 a of the transmission 54, and the output pulley 58 and the input pulley 60 are connected by a belt 62. The output shaft 54 b of the transmission 54 is connected to the movable block 66 via a crank 63 and a connecting rod 64. A guide rod 68 extending in parallel with the first stationary link 42 and the second stationary link 44 is attached to the base portion 52 of the engine unit 50, and the movable block 66 is moved along the guide rod 68. The part 52 can be moved toward and away from the extending direction.

以下、本実施形態の作用を説明する。
図8はヒトに装着した歩行支援装置100の模式図を示している。図8において、白丸は受動回転対偶を示し、黒丸はブレーキ付き回転対偶を示している。より詳細には、Pは、第3の連結機構30″によって形成される装着部10と上腿リンク12との間の回転対偶であり、Uは、第1の連結機構30によって形成される上回転対偶であり、Lは、第2の連結機構30′によって形成される下回転対偶であり、Kは、第1のブレーキ18によって形成される膝回転対偶であり、Aは、第2のブレーキ18′によって形成される足首回転対偶であり、Mは直動アクチュエータ40である。装着時に第1のブレーキ18はユーザーの膝に隣接するように配置され、第2のブレーキ18′はユーザーの足首または踝に隣接するように配置される。上腿リンク12および下腿リンク14は、ユーザーの体格に応じて、第1と第2のブレーキ18、18′のそのような配置を可能とする長さに設定される。
Hereinafter, the operation of the present embodiment will be described.
FIG. 8 shows a schematic diagram of the walking support device 100 worn by a human. In FIG. 8, white circles indicate passive rotation pairs, and black circles indicate rotation pairs with brakes. More specifically, P is a rotational pair between the mounting portion 10 and the upper thigh link 12 formed by the third connecting mechanism 30 ″, and U is an upper part formed by the first connecting mechanism 30. A rotary pair, L is a lower rotary pair formed by the second coupling mechanism 30 ′, K is a knee rotary pair formed by the first brake 18, and A is the second brake 18 is the ankle rotation pair formed by 18 ', M is a linear actuator 40. When worn, the first brake 18 is positioned adjacent to the user's knee and the second brake 18' is the user's ankle. Alternatively, the upper thigh link 12 and the lower thigh link 14 have lengths that allow such arrangement of the first and second brakes 18, 18 ', depending on the user's physique. Set to

本実施形態では、歩行支援装置100は、膝回転対偶Kを形成する第1のブレーキ18を固定すると共に足首回転対偶Aを形成する第2のブレーキ18′を解放して、直動アクチュエータ40を伸展させると、図9Aに示すように、足首回転対偶Aが反時計回りの方向に回転し、直動アクチュエータ40が収縮すると、図9Bに示すように、足首回転対偶Aが時計回りの方向に回転する。反対に、第2のブレーキ18′を固定すると共に第1のブレーキ18を解放して、直動アクチュエータ40を伸展させると、図10Aに示すように、膝回転対偶Kが図10において反時計回りの方向に回転し、直動アクチュエータ40が収縮すると、図10Bに示すように、膝回転対偶Kが時計回りの方向に回転する。   In the present embodiment, the walking assist device 100 fixes the first brake 18 that forms the knee rotation pair K and releases the second brake 18 ′ that forms the ankle rotation pair A, thereby causing the linear motion actuator 40 to move. When extended, the ankle rotation pair A rotates in the counterclockwise direction as shown in FIG. 9A, and when the linear actuator 40 contracts, the ankle rotation pair A in the clockwise direction as shown in FIG. 9B. Rotate. On the other hand, when the second brake 18 'is fixed and the first brake 18 is released and the linear actuator 40 is extended, as shown in FIG. 10A, the knee rotation pair K is counterclockwise in FIG. When the linear actuator 40 contracts, the knee rotation pair K rotates in the clockwise direction as shown in FIG. 10B.

図11は、ヒトの歩行過程を示した1つの歩行動作モデルを示している。図11において、状態Iは左足を前に右足を後にしてヒトが立っている状態である。状態Iから、後側の足(図11では右足)を後方に蹴り出して体重を前側の足(図11では左足)に移しつつ重心を前方へ移動させる(状態II)。次いで、状態IIから、蹴り出した後側の脚の膝を曲げて下腿を上方に回転させて後側の足が床面または地面から離反せつつ、股関節を回転させて上腿を前方へ振り出すことによって、接地している側の足(図11では左足)に体重が完全に移る(状態III)。次いで、状態IIIから、股関節を更に回転させることによって、蹴り出した側の脚、特にその膝が接地している側の脚の膝の前方へ移動する(状態IV)。このとき、蹴り出した側の脚では、次の接地へ向けて爪先が上方へ移動するように足首が回転する。状態IVから、股関節が更に回転することによって、振り出した側の足は接地している側の足よりも歩幅分だけ前方へ移動する(状態V)。このとき膝関節は下腿を伸ばすように回転する。そして、振り出した足を接地させ、足の裏面全体が床面または地面に接触すると状態Iとなる。但し、このとき、最初の状態Iとは左右の足が入れ替わっていることは理解されよう。   FIG. 11 shows one walking motion model showing a human walking process. In FIG. 11, state I is a state in which a human is standing with the left foot forward and the right foot backward. From state I, the rear foot (right foot in FIG. 11) is kicked backward to move the center of gravity forward while shifting the weight to the front foot (left foot in FIG. 11) (state II). Next, from state II, bend the knee of the rear leg that kicked out and rotate the lower leg upwards, while the rear foot is separated from the floor or the ground, rotate the hip joint and swing the upper leg forward By taking out, the weight is completely transferred to the grounded foot (left foot in FIG. 11) (state III). Next, from state III, the hip joint is further rotated to move to the front of the kicked-out leg, particularly the knee on the side where the knee is in contact with the ground (state IV). At this time, in the kicked leg, the ankle rotates so that the toe moves upward toward the next grounding. As the hip joint further rotates from state IV, the foot on the swinging side moves forward by the step length from the foot on the grounding side (state V). At this time, the knee joint rotates to stretch the lower leg. Then, when the swung foot is grounded and the entire back surface of the foot comes into contact with the floor surface or the ground, the state I is obtained. However, at this time, it will be understood that the left and right feet are interchanged with the first state I.

図12、13を参照して、上記歩行動作モデルに適合した本実施形態の歩行支援装置100の操作を説明する。ここでは、歩行支援装置100は右足に装着しているものとする。図13は、直動アクチュエータ40としてのスライダクランク機構の変位および第1と第2のブレーキ18、18′の固定と解放のタイミングを示したチャートである。   With reference to FIGS. 12 and 13, the operation of the walking support device 100 of the present embodiment adapted to the walking movement model will be described. Here, it is assumed that the walking support device 100 is worn on the right foot. FIG. 13 is a chart showing the displacement of the slider crank mechanism as the linear motion actuator 40 and the timing of fixing and releasing the first and second brakes 18 and 18 '.

状態Iから状態IIへの移行に際して、第1のブレーキ18を固定すると共に第2のブレーキ18′を解放して、直動アクチュエータ40を収縮させる。これによって、足首回転対偶Aが図12の矢印R1で示すように時計回りの方向に回転して、後方への蹴り出し動作が補助される。 In the transition from the state I to the state II, the first brake 18 is fixed and the second brake 18 'is released, and the linear motion actuator 40 is contracted. Thus, ankle rotation pair A is rotated in a clockwise direction as indicated by arrow R 1 in FIG. 12, the operation is assisted kicking backwards.

直動アクチュエータ40は、状態IIから状態IIIへの移行期においても収縮を継続しているが、この間、第1のブレーキ18が解放されると共に第2のブレーキ18′が固定される。これによって、膝回転対偶Kが図12の矢印R2で示すように時計回りの方向に回転し、蹴り出した足の床面または地面から上方への離反動作が補助される。このとき、例えば、爪先が床面または地面から上方へ5cm程度離れるように直動アクチュエータ40の収縮量を調節する。状態IIIから状態IVへの移行期の途中で、直動アクチュエータ40は最も収縮した状態となる。この後、歩行支援装置100を装着したユーザーの股関節を中心とした脚の回転動作による爪先の高さの低下を補償するために、第1のブレーキ18を固定しつつ第2のブレーキ18′を解放し、直動アクチュエータ40の伸展運動を開始する。これにより、足首回転対偶Aが矢印R3で示すように反時計回りの方向に回転され、爪先が上方へ上がる運動が補助される。状態IVにおいて、足底が股関節の鉛直下方向にある最下点を通過する。 The linear motion actuator 40 continues to contract even during the transition from state II to state III. During this time, the first brake 18 is released and the second brake 18 'is fixed. Thus, the knee rotation pair K is rotated in a clockwise direction as indicated by an arrow R 2 in FIG. 12, separating operation upwardly from the floor or ground surface of the foot that kicking is assisted. At this time, for example, the contraction amount of the linear actuator 40 is adjusted so that the toe is separated from the floor or the ground by about 5 cm. In the middle of the transition from state III to state IV, the linear actuator 40 is in the most contracted state. Thereafter, the second brake 18 ′ is fixed while the first brake 18 is fixed in order to compensate for the reduction in the toe height due to the rotation of the leg centered on the hip joint of the user wearing the walking assist device 100. The extension movement of the linear actuator 40 is started. Thus, ankle rotation pair A is rotated in a counterclockwise direction as indicated by an arrow R 3, movement toe rises upward is assisted. In state IV, the sole passes through the lowest point in the vertical downward direction of the hip joint.

状態IVから状態Vへの移行期では、直動アクチュエータ40は伸展動作を継続する。この期間の前半では、上の状態から引き続いて第1のブレーキ18が固定され、かつ、第2のブレーキ18′が解放される。該移行期の後半では、第1のブレーキ18が解放され、かつ、第2のブレーキ18′が固定される。これによって、該移行期の前半では前の期間に引き続き足首回転対偶Aが反時計回りの方向に爪先が上方へ上がるように回転し、後半では膝回転対偶Kが矢印R4で示すように反時計回りの方向に回転する。 In the transition period from the state IV to the state V, the linear motion actuator 40 continues the extending operation. In the first half of this period, the first brake 18 is fixed and the second brake 18 'is released continuously from the above state. In the latter half of the transition period, the first brake 18 is released and the second brake 18 'is fixed. Anti Thus, as to rotate as the first half of該移line period continues ankle rotation pair A prior period up to toe upward in the counterclockwise direction, indicated by the knee rotation pair K arrow R 4 in the second half Rotate clockwise.

歩行支援装置100は、該装置を装着する脚(装着脚)が麻痺している場合でも、歩行運動の創成や体幹の支持を可能とする。装着脚が麻痺している場合を含め、装置の使用中に使用者の転倒を防止し、安全な歩行支援を達成するため、使用者の身体と歩行支援機械から成る運動系の重心位置や足裏反力を力覚センサー、姿勢センサー、接触センサー等を用いて測定し、歩行支援装置100の適切な運動軌道を創成することが望ましい。以下、このような使用者の転倒を防止しながら適切な歩行支援を行うための歩行支援装置100の制御について説明する。   The walking support device 100 enables creation of walking motion and support of the trunk even when a leg (wearing leg) on which the device is worn is paralyzed. In order to prevent the user from falling while using the device and to achieve safe walking support, including when the wearing leg is paralyzed, the position of the center of gravity and the foot of the motor system consisting of the user's body and walking support machine It is desirable to create an appropriate motion trajectory of the walking support device 100 by measuring the reverse reaction force using a force sensor, a posture sensor, a contact sensor, or the like. Hereinafter, control of the walking support device 100 for performing appropriate walking support while preventing the user from falling will be described.

歩行支援装置100を制御するために用いられる計装システムの一例を図14に示す。図14において、計装システムは、歩行支援装置100を使用者の胴体に装着するための装着部10に取り付けられた制御器70、計装システムに電力を供給するためのバッテリー72、および、使用者の胴体の3次元空間内での姿勢を測定する姿勢角センサー74、第1の連結機構30に設けられ上腿リンク12と直動アクチュエータ40との間の角度αを測定するための第1の角度センサー78、第2の連結機構30′に設けられ直動アクチュエータ40と足リンク20との間の角度βを測定する第2の角度センサー82、第3の連結機構30″に設けられ装着部10に対する上腿リンク12の角度γを測定する第3の角度センサー76、直動アクチュエータ40の変位量または長さを測定する変位センサーまたは測長センサー80、足リンク20の底面に取り付けられた力覚センサー86および接触センサー88を備えている。また、制御器70には、使用者が手に持って歩行支援装置100を操作するための操作部としての握りスイッチ90が接続されている。   An example of an instrumentation system used to control the walking support device 100 is shown in FIG. In FIG. 14, the instrumentation system includes a controller 70 attached to the attachment unit 10 for attaching the walking assist device 100 to the user's torso, a battery 72 for supplying power to the instrumentation system, and use A posture angle sensor 74 for measuring the posture of a person's torso in a three-dimensional space, and a first angle for measuring an angle α between the upper leg link 12 and the linear motion actuator 40 provided in the first coupling mechanism 30. The angle sensor 78 of the second connecting mechanism 30 'is provided on the second angle sensor 82 and the third connecting mechanism 30 "for measuring the angle β between the linear motion actuator 40 and the foot link 20. A third angle sensor 76 for measuring the angle γ of the upper leg link 12 with respect to the section 10; a displacement sensor or length measuring sensor 80 for measuring the amount of displacement or the length of the linear motion actuator 40; A force sensor 86 and a contact sensor 88 are provided on the bottom surface of the hand 20. The controller 70 has a grip as an operation unit for the user to operate the walking support device 100 with his / her hand. A switch 90 is connected.

制御器70は、例えば、ROM、RAM、CPU、一連のセンサー74、78、82、76、80、86、88および握りスイッチ90のための入力インターフェースとしてのA/Dコンバーター、バッテリー72からの電力を受け入れる受電素子、直動アクチュエータ40のモーター56、第1と第2のブレーキ18、18′へ電力を出力する出力素子、および、これらの要素を相互接続するバスを含むマイクロコンピュータとすることができる。また、制御器70は、歩行支援装置100を起動、停止させるためのスイッチや、歩行支援装置100の作動状態を示す、例えばLEDや液晶パネルのような表示部を備えていてもよい。   The controller 70 includes, for example, ROM, RAM, CPU, a series of sensors 74, 78, 82, 76, 80, 86, 88 and an A / D converter as an input interface for the grip switch 90, power from the battery 72. A microcomputer including a power receiving element that receives power, a motor 56 of the linear actuator 40, an output element that outputs power to the first and second brakes 18 and 18 ', and a bus that interconnects these elements. it can. Further, the controller 70 may include a switch for starting and stopping the walking support device 100 and a display unit such as an LED or a liquid crystal panel that indicates an operating state of the walking support device 100.

更に、図14において、力覚センサー86および接触センサー88は、足リンク20の底面において、踵側および爪先側に配置されているように図示されているが、これは、単に力覚センサー86および接触センサー88が足リンク20の底面に取り付けられていることを示すものであって、本発明において力覚センサー86および接触センサー88の配置がこれに限定される趣旨ではない。力覚センサー86および接触センサー88の個数、配置は、必要に応じて適宜決定することができる。   Further, in FIG. 14, the force sensor 86 and the contact sensor 88 are illustrated as being disposed on the heel side and the toe side on the bottom surface of the foot link 20. It shows that the contact sensor 88 is attached to the bottom surface of the foot link 20, and the arrangement of the force sensor 86 and the contact sensor 88 is not limited to this in the present invention. The number and arrangement of the force sensor 86 and the contact sensor 88 can be appropriately determined as necessary.

次に、図15に示すフローチャートを参照して、歩行支援装置100の制御方法を説明する。
使用者が、ベルト等を用いて装着部10を胴体に固定することによって、歩行支援装置100をその身体に装着した後、握りスイッチ90または制御器70上に設けられたメインスイッチ(図示せず)によって歩行支援装置100を起動する(ステップS10)と、ステップS12において、歩行運動を開始するに際して使用者が安定した直立姿勢にあり、かつ足裏が安定して地面と接触していることが確認される。その際、(1)姿勢センサー74からの信号の変化が所定範囲内にあり使用者の身体がふらついていないこと、(2)力覚センサー86からの信号の変化が所定範囲内にあり足リンク20の裏面にしっかりと反力が作用していること、(3)接触センサー88からの信号から足リンク20が床面に接触していることが確認される。(1)〜(3)の条件が満たされていない、つまりステップS12においてNoの場合、ステップS12における判定が繰り返される。
Next, a control method of the walking support device 100 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
After the user attaches the walking support device 100 to the body by fixing the mounting portion 10 to the body using a belt or the like, a main switch (not shown) provided on the grip switch 90 or the controller 70 is installed. ) To start the walking support device 100 (step S10), in step S12, the user is in a stable upright posture when starting the walking motion, and the sole is stably in contact with the ground. It is confirmed. At that time, (1) the change of the signal from the posture sensor 74 is within a predetermined range and the user's body is not wobbling, and (2) the change of the signal from the force sensor 86 is within the predetermined range and the foot link It is confirmed that the reaction force is firmly acting on the back surface of the robot 20, and (3) the foot link 20 is in contact with the floor surface from the signal from the contact sensor 88. If the conditions (1) to (3) are not satisfied, that is, No in step S12, the determination in step S12 is repeated.

ステップS12においてYesとなると、ステップS14において、握りスイッチ90がOnになっているか否かが判定される。その際、握りスイッチ90が使用者の意図に反してOnされている場合を除外し歩行支援装置100の誤操作を防止するため、握りスイッチ90がOnされている時間τが所定の時間τ0以上継続しているか否かが判定される。握りスイッチ90がOnされている時間τが所定の時間τ0継続していない場合(ステップS14でNoの場合)、制御フローはステップS12へ帰還する。 If Yes in step S12, it is determined in step S14 whether or not the grip switch 90 is turned on. At this time, in order to prevent the erroneous operation of the walking support device 100 except for the case where the grip switch 90 is turned on against the user's intention, the time τ during which the grip switch 90 is turned on is a predetermined time τ 0 or more. It is determined whether or not it continues. When the time τ during which the grip switch 90 is turned on does not continue for the predetermined time τ 0 (No in step S14), the control flow returns to step S12.

握りスイッチ90がOnされている時間τが所定の時間τ0以上となると(ステップS14でYesの場合)、直動アクチュエータ40および第1と第2のブレーキ18、18′への指令値が更新され、第1〜第3の角度センサー78、82、76および変位センサー80からの信号に基づくフィードバック制御によって、図11〜図13を参照して説明したように歩行支援装置100を駆動して歩行動作が生成される(ステップS16)。この操作は歩行運動の1周期が完了するまで継続する(ステップS24)。その間、歩行状態が不安定になったり握りスイッチが離されたりした場合(ステップS18、S20の何れか一方でNoの場合)には強制的に直立静止状態に移行させる。すなわち、ステップS18において、(4)姿勢センサー74からの信号から使用者の身体が極端に傾いていないこと、(5)姿勢センサー74からの信号に急激な変化がないこと、(6)力覚センサー86からの信号に急激な変化がないこと(足リンク20が床面から離れる瞬間は除く)が確認され、ステップS20において握りスイッチ90がOnされていることが確認される。その際、誤動作や瞬間的な外乱による暴走を防止するため、歩行支援を中断する前には異常状態が一定時間継続したことを確認する(ステップS22)。つまり、ステップS22では、異常状態の時間tが所定時間t0以上となっているか否かが判定される。 When the time τ during which the grip switch 90 is turned on exceeds the predetermined time τ 0 (Yes in step S14), the command values for the linear actuator 40 and the first and second brakes 18 and 18 'are updated. The walking assist device 100 is driven by the feedback control based on the signals from the first to third angle sensors 78, 82, 76 and the displacement sensor 80 as described with reference to FIGS. An action is generated (step S16). This operation is continued until one cycle of the walking motion is completed (step S24). In the meantime, when the walking state becomes unstable or the grip switch is released (when either one of steps S18 and S20 is No), it is forcibly shifted to an upright stationary state. That is, in step S18, (4) the user's body is not extremely tilted from the signal from the posture sensor 74, (5) there is no sudden change in the signal from the posture sensor 74, (6) force sense It is confirmed that there is no sudden change in the signal from the sensor 86 (except for the moment when the foot link 20 leaves the floor surface), and it is confirmed that the grip switch 90 is turned on in step S20. At that time, in order to prevent runaway due to malfunction or instantaneous disturbance, it is confirmed that the abnormal state has continued for a certain period of time before the walking support is interrupted (step S22). That is, in the step S22, the time t of the abnormal condition whether a predetermined time t 0 or more is determined.

その後、使用者が安定した直立姿勢を取っていること、すなわち、(7)姿勢センサー74からの信号に急激な変化がないこと、(8)力覚センサー86からの信号の変化が所定範囲内にあること、(9)接触センサー88と力覚センサー86からの信号から足リンク20が床面に接触していることが確認され(ステップS26)、条件が満たされていなければ(ステップS26でNoの場合)、一連のセンサー74、78、82、76、80、86、88からの情報を元に安定した直立状態となるよう歩行支援装置100の姿勢を調整する(ステップS28)。   Thereafter, the user is in a stable upright posture, that is, (7) there is no sudden change in the signal from the posture sensor 74, and (8) the change in the signal from the force sensor 86 is within a predetermined range. (9) It is confirmed from the signals from the contact sensor 88 and the force sensor 86 that the foot link 20 is in contact with the floor (step S26), and if the condition is not satisfied (in step S26) In the case of No), the posture of the walking support apparatus 100 is adjusted so as to be in a stable upright state based on information from the series of sensors 74, 78, 82, 76, 80, 86, 88 (step S28).

条件(7)〜(9)が満たされている場合(ステップS26でYesの場合)またはステップS28における歩行支援装置100の姿勢調整の後、直動アクチュエータ40と第1と第2のブレーキ18、18′を固定して待機状態に移行し(ステップS30)、制御フローは終了する(ステップS30)。この制御フローを繰り返すことによって、使用者の継続的な歩行動作が支援される。   When the conditions (7) to (9) are satisfied (Yes in step S26) or after the posture adjustment of the walking support device 100 in step S28, the linear actuator 40 and the first and second brakes 18, 18 'is fixed and it transfers to a standby state (step S30), and a control flow is complete | finished (step S30). By repeating this control flow, the user's continuous walking motion is supported.

次に、図16、17を参照すると、本発明の第2の実施形態による歩行支援装置200が図示されている。第1の実施形態による歩行支援装置100では、上回転対偶Uは、上腿リンク12において、装着部10が連結される端部である第3の連結機構30″と、膝回転対偶Kを形成する第1のブレーキ18との間に設けられている。これに対して歩行支援装置200では、上回転対偶を形成する第1の連結機構30は、上腿リンク12において膝回転対偶Kの外側、つまり、上腿リンク12において第1のブレーキ18よりも下方に突出した延長部分15に設けられている。第2の実施形態による歩行支援装置200のその余の構成は、第1の実施形態による歩行支援装置100と概ね同様となっている。従って、図16、17において、第1の実施形態と同様の構成要素には図1、2と同じ参照番号を付し、詳細な説明は省略する。   Next, referring to FIGS. 16 and 17, a walking support device 200 according to a second embodiment of the present invention is illustrated. In the walking support apparatus 100 according to the first embodiment, the upper rotation pair U forms a knee rotation pair K with the third connection mechanism 30 ″ that is an end portion to which the mounting portion 10 is connected in the upper thigh link 12. On the other hand, in the walking assist device 200, the first coupling mechanism 30 forming the upper rotation pair is outside the knee rotation pair K in the upper thigh link 12. That is, it is provided in the extended portion 15 projecting downward from the first brake 18 in the upper thigh link 12. The remaining configuration of the walking support device 200 according to the second embodiment is the same as in the first embodiment. 16 and 17, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 are attached to the same components as those in the first embodiment, and detailed description thereof is omitted. To do.

本実施形態では、歩行支援装置200は、膝回転対偶Kを形成する第1のブレーキ18を固定すると共に足首回転対偶Aを形成する第2のブレーキ18′を解放して、直動アクチュエータ40を伸展させると、図18Aに示すように、足首回転対偶Aが反時計回りの方向に回転し、直動アクチュエータ40が収縮すると、図18Bに示すように、足首回転対偶Aが時計回りの方向に回転する。反対に、第2のブレーキ18′を固定すると共に第1のブレーキ18を解放して、直動アクチュエータ40を収縮させると、図19Aに示すように、膝回転対偶Kが反時計回りの方向に回転し、直動アクチュエータ40が伸展すると、図19Bに示すように、膝回転対偶Kが時計回りの方向に回転する。   In the present embodiment, the walking assist device 200 fixes the first brake 18 that forms the knee rotation pair K and releases the second brake 18 ′ that forms the ankle rotation pair A, thereby causing the linear actuator 40 to move. When extended, the ankle rotation pair A rotates in the counterclockwise direction as shown in FIG. 18A, and when the linear actuator 40 contracts, the ankle rotation pair A in the clockwise direction as shown in FIG. 18B. Rotate. On the other hand, when the second brake 18 'is fixed and the first brake 18 is released and the linear actuator 40 is contracted, as shown in FIG. 19A, the knee rotation pair K is rotated in the counterclockwise direction. When it rotates and the linear motion actuator 40 extends, the knee rotation pair K rotates in the clockwise direction as shown in FIG. 19B.

図12、20を参照して、上記歩行動作モデルに適合した本実施形態の歩行支援装置200の操作を説明する。図20は、直動アクチュエータ40としてのスライダクランク機構の変位および第1と第2のブレーキ18、18′の固定と解放のタイミングを示した図13と同様のチャートである。   With reference to FIGS. 12 and 20, the operation of the walking support apparatus 200 of the present embodiment adapted to the walking motion model will be described. FIG. 20 is a chart similar to FIG. 13 showing the displacement of the slider crank mechanism as the linear motion actuator 40 and the timing of fixing and releasing the first and second brakes 18 and 18 '.

状態Iから状態IIへの移行に際して、第1のブレーキ18を固定すると共に第2のブレーキ18′を解放して、直動アクチュエータ40を収縮させる。これによって、足首回転対偶Aが図12の矢印R1で示すように時計回りの方向に回転して、後方への蹴り出し動作が補助される。 In the transition from the state I to the state II, the first brake 18 is fixed and the second brake 18 'is released, and the linear motion actuator 40 is contracted. Thus, ankle rotation pair A is rotated in a clockwise direction as indicated by arrow R 1 in FIG. 12, the operation is assisted kicking backwards.

状態IIから状態IIIへの移行期においては、第1のブレーキ18を解放すると共に第2のブレーキ18′を固定して、直動アクチュエータ40を伸展させる。これによって、膝回転対偶Kが図12の矢印R2で示すように時計回りの方向に回転し、蹴り出した足の床面または地面から上方への離反動作が補助される。このとき、例えば、爪先が床面または地面から上方へ5cm程度離れるように直動アクチュエータ40の伸展量を調節する。この後、歩行支援装置200を装着したユーザーの股関節を中心とした脚の回転動作による爪先の高さの低下を補償するために、直動アクチュエータ40の伸展は継続しながら第1のブレーキ18を固定しつつ第2のブレーキ18′を解放する。これにより、足首回転対偶Aが矢印R3で示すように反時計回りの方向に回転され、爪先が上方へ上がる運動が補助される。状態IVにおいて、足底が股関節の鉛直下方向にある最下点を通過する。 In the transition period from the state II to the state III, the first brake 18 is released and the second brake 18 'is fixed, and the linear motion actuator 40 is extended. Thus, the knee rotation pair K is rotated in a clockwise direction as indicated by an arrow R 2 in FIG. 12, separating operation upwardly from the floor or ground surface of the foot that kicking is assisted. At this time, for example, the extension amount of the linear actuator 40 is adjusted so that the tip of the toe is separated from the floor surface or the ground by about 5 cm. Thereafter, in order to compensate for the reduction in the toe height due to the rotation of the leg centered on the hip joint of the user wearing the walking assist device 200, the first brake 18 is applied while the extension of the linear actuator 40 continues. The second brake 18 'is released while being fixed. Thus, ankle rotation pair A is rotated in a counterclockwise direction as indicated by an arrow R 3, movement toe rises upward is assisted. In state IV, the sole passes through the lowest point in the vertical downward direction of the hip joint.

状態IVから状態Vへの移行期の直前から、直動アクチュエータ40は収縮動作を開始し、第1のブレーキ18が解放され、かつ、第2のブレーキ18′が固定される。これによって、膝回転対偶Kが矢印R4で示すように反時計回りの方向に回転する。 Immediately before the transition period from the state IV to the state V, the linear actuator 40 starts a contracting operation, the first brake 18 is released, and the second brake 18 'is fixed. Thus, the knee rotation pair K is rotated in a counterclockwise direction as indicated by an arrow R 4.

上述した第1と第2の実施形態では、直動アクチュエータ40としてスライダクランク機構を用いたので、モータ56の回転方向を変更することなく、モータ56の回転速度の制御と第1と第2のブレーキ18、18′のオン・オフ(固定、解放)制御のみで、状態Iから状態Vへ至る全てのプロセスを実行することができる。従って、従来技術のように、モータの回転方向の変更に伴う消費電力の増大が防止される。モータの回転方向の反転がある場合、モータの消費動力のピーク値は歩行運動全体で算出した平均値の2倍程度にまで達するが、歩行支援装置100、200ではそうした消費電力の大きなピークはなくなり、モータ自体も小型化される。更に、モータ56が反転しないので、慣性力に伴う駆動トルクの急激な変化が防止され歩行支援装置100、200の動作が円滑になる。   In the first and second embodiments described above, since the slider crank mechanism is used as the linear motion actuator 40, the rotation speed of the motor 56 can be controlled without changing the rotation direction of the motor 56, and the first and second embodiments. All processes from the state I to the state V can be executed only by the on / off (fixing, releasing) control of the brakes 18 and 18 '. Therefore, as in the prior art, an increase in power consumption accompanying a change in the rotation direction of the motor is prevented. When the rotation direction of the motor is reversed, the peak value of the power consumption of the motor reaches about twice the average value calculated for the entire walking motion, but the walking support devices 100 and 200 do not have such a large peak of power consumption. The motor itself is also downsized. Furthermore, since the motor 56 does not reverse, a sudden change in the drive torque associated with the inertial force is prevented, and the walking assist devices 100 and 200 operate smoothly.

また、既述の説明から理解されるように、本実施形態では、ヒトの歩行運動は1自由度である、つまり腰部と足部との間の距離の時間的変化として表現が可能であるので、歩行支援装置100、200は、腰部と足部の2箇所のみで、ユーザーの身体に取り付けられる。また、歩行支援装置100、200は、ヒトの歩行運動は1自由度であることに着目して、1つの直動アクチュエータによってヒトの歩行運動を創成している。そして、実際の歩行運動の蹴り出し時および着地時の下腿および足部の姿勢を2つのブレーキ18、18′によって創成するようにしている。   As can be understood from the above description, in this embodiment, the human walking movement has one degree of freedom, that is, it can be expressed as a temporal change in the distance between the waist and the foot. The walking support devices 100 and 200 are attached to the user's body at only two locations, the waist and the feet. In addition, the walking support devices 100 and 200 create a human walking motion with one linear motion actuator, focusing on the fact that the human walking motion has one degree of freedom. The postures of the lower leg and the foot at the time of kicking and landing of the actual walking motion are created by the two brakes 18 and 18 '.

また、ヒトの歩行運動の状態IIIから状態IVを経て状態Vへ至る過程では、ヒトは股関節を回転させることによって下肢全体を前方へ振り出しているが、歩行支援装置100、200は、この動作の補助、支援は行なっていない。   In the process from human walking motion state III to state V through state IV, the human swings the entire lower limbs forward by rotating the hip joint, but the walking support devices 100 and 200 perform this operation. No assistance or support is provided.

10 装着部
12 上腿リンク
12′ 延長部分
12a 棒状部材
14 下腿リンク
16 対偶ブロック
18 第1のブレーキ
18′ 第2のブレーキ
20 足リンク
22 ベース部
30 第1の連結機構
30′ 第2の連結機構
30″ 第3の連結機構
32 軸受ブロック
34 軸受ブロック
32a 貫通穴
34a 貫通穴
36 連結プレート
38 回転角度センサー
40 直動アクチュエータ
42 第1静止リンク
44 第2静止リンク
46 対偶ブロック
50 機関部
52 ベース部
54 変速機
54a 入力軸
54b 出力軸
56 モータ
56a 出力軸
58 出力プーリー
60 入力プーリー
62 ベルト
63 クランク
64 連接棒
66 可動ブロック
68 ガイドロッド
70 制御器
72 バッテリー
74 姿勢角センサー
76 第3の角度センサー
78 第1の角度センサー
80 変位センサーまたは測距センサー
82 第2の角度センサー
86 力覚センサー
88 接触センサー
90 握りスイッチ
100 歩行支援装置
200 歩行支援装置
A 足首回転対偶
K 膝回転対偶
L 下回転対偶
U 上回転対偶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Mounting part 12 Upper leg link 12 'Extension part 12a Bar-shaped member 14 Lower leg link 16 Kinematic block 18 First brake 18' Second brake 20 Foot link 22 Base part 30 First connection mechanism 30 'Second connection mechanism 30 ″ third coupling mechanism 32 bearing block 34 bearing block 32a through hole 34a through hole 36 coupling plate 38 rotation angle sensor 40 linear motion actuator 42 first stationary link 44 second stationary link 46 paired block 50 engine unit 52 base unit 54 Transmission 54a Input shaft 54b Output shaft 56 Motor 56a Output shaft 58 Output pulley 60 Input pulley 62 Belt 63 Crank 64 Connecting rod 66 Movable block 68 Guide rod 70 Controller
72 battery
74 Attitude angle sensor 76 Third angle sensor 78 First angle sensor 80 Displacement sensor or ranging sensor 82 Second angle sensor
86 Force sensor 88 Contact sensor 90 Grip switch
100 Walking support device 200 Walking support device A Ankle rotation pair even K Knee rotation pair L Lower rotation pair U Upper rotation pair

Claims (4)

装着時にヒトの上腿に副わせて延設される上腿リンクと、
装着時にヒトの下腿に副わせて延設される下腿リンクと、
装着時にヒトの足に副わせて延設される足リンクと、
前記上腿リンクと足リンクとの間に延設された直動アクチュエータと、
前記上腿リンクと前記直動アクチュエータとを連結する上回転対偶と、
前記直動アクチュエータと前記足リンクとを連結する下回転対偶と、
前記上腿リンクと下腿リンクとを連結する膝回転対偶と、
前記下腿リンクと足リンクとを連結する足首回転対偶とを具備し、
前記膝回転対偶と前記足首回転対偶がブレーキを備えていることを特徴とした歩行支援装置。
An upper leg link that extends alongside the upper leg of the human when worn;
A lower leg link that extends alongside the lower leg of the human when worn,
A foot link that extends alongside a human foot when worn;
A linear actuator extending between the upper thigh link and the foot link;
An upper rotational pair that couples the upper thigh link and the linear motion actuator;
A lower rotary pair that couples the linear motion actuator and the foot link;
A knee rotation pair connecting the upper thigh link and the lower thigh link;
An ankle rotation pair for connecting the lower leg link and the foot link;
The walking assist device, wherein the knee rotating pair and the ankle rotating pair are provided with a brake.
前記足リンクは、ユーザーの足裏を支持する平板状のベース部と、該ベース部に取り付けられ、装着時にユーザーの踵の後方に位置するように設けられた延長部とを有しており、前記下回転対偶が前記延長部に設けられている請求項1に記載の歩行支援装置。   The foot link has a flat plate-like base portion that supports a user's sole, and an extension portion that is attached to the base portion and provided to be positioned behind the user's heel when worn, The walking support device according to claim 1, wherein the lower rotation pair is provided in the extension portion. 前記上回転対偶は、上腿リンクにおいて前記膝回転対偶の上方に設けられている請求項1または2に記載の歩行支援装置。   The walking support device according to claim 1, wherein the upper rotation pair is provided above the knee rotation pair in an upper thigh link. 前記上腿リンクは、前記膝回転対偶から下方に延びる延長部分を有しており、前記上回転対偶は該上腿リンクの延長部分に設けられている請求項1または2に記載の歩行支援装置。   The walking support device according to claim 1, wherein the upper thigh link has an extension portion extending downward from the knee rotation pair, and the upper rotation pair is provided in an extension portion of the upper thigh link. .
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