JP2016026105A - Drive device of joint - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive device and a wearable motion assisting device having the same which can transmit torque excellently over a wide operation range of an output link (for example, an angle of the output link relative to a fixed link ranges from 0° to 140°), and can achieve further downsizing.SOLUTION: A drive device 8 comprises: a five-joint link mechanism 10 in which five links including an input link 11, a fixed link 12, an intermediate link 13, an output link 14, and a medium link 15 are connected sequentially and rotatably; a freedom degree limitation mechanism 23 for limiting the degree of freedom of the five-joint link mechanism 10 to 1 by restraining relative displacement of the fixed link 12 and the intermediate link 13 and relative displacement of the intermediate link 13 and the output link 14 at a predetermined ratio; and an actuator 9 for applying a rotational driving force to the input link 11.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、五節リンク機構を備えた駆動装置およびこの駆動装置を備えた装着型動作支援装置に関する。   The present invention relates to a drive device including a five-bar linkage mechanism and a wearable motion support device including the drive device.

近年、利用者の身体に装着されて、利用者の動作を支援する動作支援装置が開発されている。例えば、利用者の歩行時や起立時などの股関節や膝関節の動きを補助するための、下半身外骨格形状を有する装着型動作支援装置が知られている。このような装着型動作支援装置は、一般に、装着者の腰に装着される腰装着部、大腿に装着される大腿装着部、下腿に装着される下腿装着部、腰装着部と大腿装着部の間の股関節部および大腿装着部と下腿装着部との間の膝関節部にそれぞれ配置されたアクチュエータ等からなる装着具を備えている。しかし、装着具の膝関節部近傍にアクチュエータが配置されると、アクチュエータの重みにより膝関節部周りの装着具のイナーシャが増大し、装着者の軽快な歩行が阻害されたり、イナーシャを受けた装着具の動きを修正するためにアクチュエータの負荷が増大するという課題があった。   2. Description of the Related Art In recent years, an operation support device that is worn on a user's body and supports the user's operation has been developed. For example, a wearable motion support device having a lower-body exoskeleton shape for assisting movement of a hip joint and a knee joint when a user walks or stands is known. Such a wearable movement support device is generally composed of a waist mounting part to be worn on the waist of the wearer, a thigh wearing part to be worn on the thigh, a lower leg wearing part to be worn on the lower leg, a waist wearing part and a thigh wearing part. There are provided wearing tools composed of actuators and the like disposed respectively at the hip joint part and the knee joint part between the thigh attachment part and the lower leg attachment part. However, if an actuator is placed near the knee joint of the wearer, the inertia of the wearer around the knee joint will increase due to the weight of the actuator, and the wearer's light walking will be hindered or worn. There has been a problem that the load on the actuator increases in order to correct the movement of the tool.

そこで、特許文献1に記載の肢体アシスト装置では、装着具に大腿装着部と下腿装着部とを含む四節平行リンク機構を備えることにより、膝関節用アクチュエータの重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを軽減している。具体的には、この肢体アシスト装置は、第一のリンク部、大腿リンク部、下腿リンク部および第二のリンク部を順次回転自在に連結してなる閉じられた四節リンク機構と、第一のリンク部を駆動する膝関節用アクチュエータとを備えている。そして、肢体アシスト装置が具備するアクチュエータの中でも特に重量の大きい膝関節用アクチュエータを利用者の膝関節よりも体幹(胴体)方向へ配置している。   Therefore, in the limb body assisting device described in Patent Document 1, the wearer is provided with a four-node parallel link mechanism including a thigh attachment portion and a crus attachment portion, which is applied to the wearer due to the weight of the knee joint actuator. The moment of inertia is reduced. Specifically, the limb assist device includes a closed four-joint link mechanism in which a first link part, a thigh link part, a crus link part, and a second link part are sequentially and rotatably connected, And an actuator for a knee joint that drives the link portion. Among the actuators included in the limb assisting device, the actuator for the knee joint, which is particularly heavy, is arranged in the trunk (trunk) direction from the user's knee joint.

特許文献1に基づけば、例えば、図14(a)に示すように、動作支援装置の装着具の下肢部分に入力リンク99a、固定リンク99b、出力リンク99cおよび媒介リンク99dを順次回転可能に連結して成る四節平行リンク機構99が備えられることとなる。人間の膝関節は、直立から蹲踞まで姿勢を変化させるときに約140°という広い動作範囲を有することが知られている。そこで、上記四節平行リンク機構99において出力リンク99cが固定リンク99bと一列に並んだ状態を0°として、ここから出力リンク99cを140°まで動かしてみると、図14(b)に示すように、出力リンク99cの角度が0−140°内の或値で、四節平行リンク機構99は思案点となる。四節平行リンク機構99が思案点となるときは、装着者の膝が大きく屈曲して特に外部動力によるサポートが必要なときでもある。ところが、思案点では入力リンク99aから出力リンク99cまでのトルク伝達が不安定となる。このような理由から、動作支援装置の装着具の下肢部分に四節平行リンク機構を備えると、人間の膝関節の広い動作範囲に対応することが困難である。   Based on Patent Literature 1, for example, as shown in FIG. 14 (a), an input link 99a, a fixed link 99b, an output link 99c, and an intermediate link 99d are sequentially connected to the lower limbs of the wearing tool of the motion support device. Thus, a four-bar parallel link mechanism 99 is provided. It is known that the human knee joint has a wide movement range of about 140 ° when changing posture from upright to heel. Therefore, when the output link 99c is aligned with the fixed link 99b in the four-bar parallel link mechanism 99 as 0 °, and the output link 99c is moved to 140 ° from here, as shown in FIG. 14 (b). In addition, when the angle of the output link 99c is a value within 0-140 °, the four-bar parallel link mechanism 99 becomes a thought point. When the four-bar parallel link mechanism 99 becomes a point of thinking, it is also when the wearer's knee is bent greatly and support by external power is particularly necessary. However, torque transmission from the input link 99a to the output link 99c becomes unstable at the thought point. For these reasons, if a four-joint parallel link mechanism is provided in the lower limb portion of the wearing tool of the movement support device, it is difficult to cope with a wide movement range of the human knee joint.

また、動作支援装置の装着具の下肢部分を四節平行リンク機構で構成する場合、入力リンクから出力リンクへのトルク伝達率は常に1である。ところが、立位や直立歩行時には、膝関節に余分な負荷を掛けないために、装着具における入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は小さいことが望ましい。そして、蹲踞の姿勢では、蹲踞の姿勢から直立姿勢へ移行するときに装着者の体重を支持しながら装着者の動きを力強くアシストするために、装着具における入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は大きいことが望ましい。つまり、動作支援装置の装着具において入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は直立姿勢で小さく、蹲踞の姿勢で大きい特性を有することが望ましい。   Further, when the lower limb part of the wearing tool of the motion support device is configured by the four-bar parallel link mechanism, the torque transmission rate from the input link to the output link is always 1. However, when standing or standing upright, it is desirable that the torque transmission ratio from the input link to the output link in the wearing tool is small so as not to apply an extra load to the knee joint. In the posture of the heel, the torque transmission ratio from the input link to the output link in the wearing tool is used to strongly assist the wearer's movement while supporting the weight of the wearer when shifting from the heel posture to the upright posture. Is desirable to be large. That is, it is desirable that the torque transmission ratio from the input link to the output link is small in the upright posture and large in the heel posture in the wearing tool of the motion support device.

そこで、特許文献2では、動作支援装置の装着具の下肢部分に四節非平行リンク機構を備え、リンク長比を調整することによって人間の膝関節の広い動作範囲に対応するとともに入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比を好適に調整できるようにしている。具体的には、特許文献2に記載された動力付歩行支援装置では、入力リンク、固定リンク、出力リンクおよび中間リンクを順次回転自在に連結してなる閉じられた四節非平行リンク機構を備えている。この四節リンク機構のうち、固定リンクが大腿に固定され、出力リンクが下腿に固定され、入力リンクに動力が入力される。そして、対向するリンクのリンク長比の和同士がほぼ等しくなるように、各リンク長が定められている。   Therefore, in Patent Document 2, a four-node non-parallel link mechanism is provided in the lower limb portion of the wearing tool of the movement support device, and the link length ratio is adjusted to cope with a wide movement range of the human knee joint and output from the input link. The torque transmission ratio to the link can be suitably adjusted. Specifically, the powered walking support apparatus described in Patent Document 2 includes a closed four-bar non-parallel link mechanism in which an input link, a fixed link, an output link, and an intermediate link are sequentially connected in a freely rotatable manner. ing. Of the four-bar linkage mechanism, the fixed link is fixed to the thigh, the output link is fixed to the lower leg, and power is input to the input link. Each link length is determined so that the sum of the link length ratios of the opposed links is substantially equal.

特開2006−334200号公報JP 2006-334200 A 特開2008−23234号公報JP 2008-23234 A

特許文献2に記載された動力付歩行支援装置によれば、人間の膝関節の広い動作範囲に対応可能となるものの、膝関節の屈曲に追従してリンクが動くと入力リンクと中間リンクとの連結部が大きく後方へ出っ張ることとなり、装着具が大型化してしまう。装着具の大型化は、装着具の重量化や装着感の低下に繋がる。   According to the powered walking support device described in Patent Document 2, it is possible to cope with a wide range of motion of the human knee joint, but when the link moves following the knee joint flexion, the input link and the intermediate link A connection part will protrude largely back, and an installation tool will enlarge. An increase in the size of the wearing tool leads to an increase in weight of the wearing tool and a decrease in wearing feeling.

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲にわたって良好にトルクを伝達可能であり、且つ、更なる小型化を実現可能とする、駆動装置およびこれを備えた装着型動作支援装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can transmit torque well over a wide operating range as compared with the four-link parallel link mechanism of the output link. An object of the present invention is to provide a drive device and a wearable motion support device including the drive device.

本発明に係る駆動装置は、入力リンク、固定リンク、中間リンク、出力リンクおよび媒介リンクの5つのリンクが順次回転可能に連結されて成る五節リンク機構と、前記固定リンクと前記中間リンクの相対変位と前記中間リンクと前記出力リンクの相対変位を所定の比率に拘束することにより前記五節リンク機構の自由度を1に制限する自由度制限機構と、前記入力リンクに対し前記固定リンクとの連結部回りの回転駆動力を与えるアクチュエータとを備えているものである。   The drive device according to the present invention includes a five-bar link mechanism in which five links of an input link, a fixed link, an intermediate link, an output link, and an intermediate link are connected so as to be sequentially rotatable, and a relative relationship between the fixed link and the intermediate link. A degree-of-freedom limiting mechanism that limits the degree of freedom of the five-bar linkage mechanism to 1 by constraining a displacement and a relative displacement of the intermediate link and the output link to a predetermined ratio; and a fixed link with respect to the input link And an actuator for applying a rotational driving force around the connecting portion.

上記構成の駆動装置によれば、固定リンクと出力リンクとの間に中間リンクが存在することにより、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲(例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が0°から140°までの範囲)にわたって、出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置してもこれらのリンクが干渉しない構成とすることが可能となる。また、出力リンクの上記広い動作範囲にわたって、思案点を通過しない構成とすることが可能となり、上記広い動作範囲で入力リンクから出力リンクへの安定したトルク伝達を行うことが可能となる。また、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクを直線状に配置したときに、入力リンクおよび媒介リンクをこの直線に沿うように形成することが可能であり、駆動装置の小型化を図ることができる。さらに、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクが直線状に並んだ状態から出力リンクが動作するときに、入力リンクおよび媒介リンクをこれらのリンクに沿うように形成することが可能であり、駆動装置の小型化を図ることができる。   According to the drive device having the above configuration, the intermediate link exists between the fixed link and the output link, so that the operation range is wider than the four-link parallel link mechanism of the output link (for example, output relative to the fixed link). Even if the output link and the fixed link are arranged in the same plane over the range of the link angle from 0 ° to 140 °, it is possible to prevent the links from interfering with each other. Further, it is possible to adopt a configuration that does not pass the thought point over the wide operating range of the output link, and it is possible to perform stable torque transmission from the input link to the output link in the wide operating range. Further, when the fixed link, the intermediate link, and the output link are arranged in a straight line, the input link and the intermediate link can be formed along the straight line, and the drive device can be reduced in size. Furthermore, when the output link is operated from the state where the fixed link, the intermediate link and the output link are arranged in a straight line, the input link and the intermediate link can be formed along these links. Miniaturization can be achieved.

前記駆動装置において、前記自由度制限機構は、前記固定リンクと前記出力リンクの各々に設けられた噛合し合う歯車とすることができる。   In the drive device, the degree-of-freedom limiting mechanism may be a meshing gear provided on each of the fixed link and the output link.

また、本発明に係る装着型動作支援装置は、装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、前記装着者の大腿に装着される大腿装着部および前記装着者の下腿に装着される下腿装着部を少なくとも有する下肢フレームと、前記下肢フレームに設けられた前記駆動装置とを備え、前記大腿装着部に前記固定リンクが設けられ、前記下腿装着部に前記出力リンクが設けられ、前記大腿装着部に前記アクチュエータが設けられているものである。   The wearable motion support device according to the present invention is a wearable motion support device that assists or substitutes for the wearer's muscular strength, and is provided on the thigh wearing portion to be worn on the wearer's thigh and on the wearer's lower leg. A lower limb frame having at least a lower limb mounting portion to be mounted; and the driving device provided on the lower limb frame, wherein the thigh mounting portion is provided with the fixed link, and the crus mounting portion is provided with the output link. The thigh mounting part is provided with the actuator.

上記構成の装着型動作支援装置によれば、固定リンクと出力リンクとの間に中間リンクが存在することにより、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲(例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が0°から140°までの範囲)にわたって、出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置してもこれらのリンクが干渉しない構成とすることが可能となる。出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置できれば、下肢フレームの側方への突出量を抑えることができ、装着型動作支援装置の小型化に寄与することができる。また、出力リンクの上記広い動作範囲にわたって、思案点を通過しない構成とすることが可能となり、上記広い動作範囲で入力リンクから出力リンクへの安定したトルク伝達を行うことが可能となる。これにより、装着型動作支援装置は、人間の膝関節の140°という広い動作範囲に対応することができる。また、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクを直線状に配置したときに、入力リンクおよび媒介リンクをこの直線に沿うように形成することが可能であり、装着型動作支援装置の小型化を図ることができる。さらに、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクが直線状に並んだ状態から出力リンクが動作するときに、入力リンクおよび媒介リンクをこれらのリンクに沿うように形成することが可能であり、装着型動作支援装置の小型化を図ることができる。さらに、アクチュエータが装着者の膝関節よりも上方の大腿装着部に設けられることにより、アクチュエータを膝関節近傍に設ける場合と比較して歩行時に装着者に作用するアクチュエータに起因する慣性力が低減し、装着者により快適な歩行を提供することができる。   According to the wearable motion support apparatus having the above configuration, the intermediate link exists between the fixed link and the output link, so that the operation range is wider than that of the four-link parallel link mechanism of the output link (for example, the fixed link). Even if the output link and the fixed link are arranged in the same plane over the range of the angle of the opposed output links from 0 ° to 140 °, it is possible to configure such that these links do not interfere with each other. If the output link and the fixed link can be arranged in the same plane, the amount of protrusion of the lower limb frame to the side can be suppressed, which can contribute to the downsizing of the wearable motion support device. Further, it is possible to adopt a configuration that does not pass the thought point over the wide operating range of the output link, and it is possible to perform stable torque transmission from the input link to the output link in the wide operating range. As a result, the wearable motion support device can cope with a wide motion range of 140 ° of the human knee joint. In addition, when the fixed link, the intermediate link, and the output link are arranged in a straight line, the input link and the intermediate link can be formed along the straight line, and the wearable motion support device can be downsized. Can do. Furthermore, when the output link operates from a state where the fixed link, the intermediate link and the output link are arranged in a straight line, the input link and the intermediate link can be formed along these links, and the wearable operation The support device can be downsized. Furthermore, by providing the actuator in the thigh attachment part above the knee joint of the wearer, the inertial force caused by the actuator acting on the wearer during walking is reduced compared to the case where the actuator is provided near the knee joint. It is possible to provide a comfortable walking by the wearer.

前記装着型動作支援装置において、前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が0°から140°までの範囲において、前記出力リンクの角度の増大に伴ってトルク伝達比が増大する関係を有していることがよい。   In the wearable motion support device, the link length ratio of the input link, the fixed link, the intermediate link, the output link, and the intermediate link is such that the angle of the output link relative to the fixed link is 0 ° to 140 °. It is preferable that the torque transmission ratio increases as the angle of the output link increases.

さらには、前記装着型動作支援装置において、前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が0°から140°までの範囲において、0°のときにトルク伝達比が1より小さく、90°以上でトルク伝達比が1以上となる関係を有していることがよい。   Furthermore, in the wearable motion support device, the link length ratio of the input link, the fixed link, the intermediate link, the output link and the intermediate link is such that the angle of the output link relative to the fixed link is 0 °. From 0 to 140 °, it is preferable that the torque transmission ratio is smaller than 1 at 0 °, and the torque transmission ratio is 1 or more at 90 ° or more.

上記構成によれば、装着者が直立姿勢で歩行するときにトルク伝達比が小さく、装着者が蹲踞の姿勢から立ち上がるときにトルク伝達比が大きくなり、装着者の下肢に負担をかけないより快適な歩行と、装着者が蹲踞の姿勢から立ち上がるときの強力なアシストとを実現することができる。   According to the above configuration, the torque transmission ratio is small when the wearer walks in an upright posture, and the torque transmission ratio is large when the wearer stands up from the heel posture, which is more comfortable than not placing a burden on the wearer's lower limb. Gait and powerful assistance when the wearer stands up from the heel posture.

前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、前記大腿装着部は前記装着者の大腿に係留するための係止具を有し、前記下腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し、前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有していることがよい。   In the wearable motion support device, the lower limb frame includes a foot mounting portion to be mounted on the wearer's foot, and the thigh mounting portion has a locking tool for mooring to the wearer's thigh, It is preferable that the lower leg mounting portion has a translational degree of freedom that can be extended in the translation direction, and the foot mounting portion has a locking tool for mooring to the wearer's foot.

または、前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、前記大腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し前記下
腿装着部は前記装着者の下腿に係留するための係止具を有し、前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有していることがよい。
Alternatively, in the wearable motion support device, the lower limb frame includes a foot mounting portion that is mounted on the foot of the wearer, and the thigh mounting portion has a degree of freedom of translation that can be extended in a translational direction, and the lower leg mounting portion. Preferably has a locking tool for mooring to the lower leg of the wearer, and the foot mounting portion has a locking tool for mooring to the foot of the wearer.

上記構成によれば、大腿装着部または下腿装着部のうち一方が装着者の身体に係留しているときに、他方は並進自由度を備えることとなる。このような装着型動作支援装置は、装着者が膝の屈伸を行うときに装着者の身体の動きに良好に追従し、装着者に違和感を与えずに動作を支援することができる。   According to the above configuration, when one of the thigh wearing part or the lower thigh wearing part is moored to the wearer's body, the other has a degree of translational freedom. Such a wearable movement support device can follow the movement of the wearer's body well when the wearer flexes and stretches the knee, and can support the movement without giving the wearer a sense of incongruity.

前記装着型動作支援装置において、前記固定リンクと前記出力リンクが同じ矢状面上に配置されていることがよい。かかる構成により、装着型動作支援装置をより小型化することができる。   In the wearable motion support apparatus, the fixed link and the output link may be arranged on the same sagittal plane. With this configuration, the wearable motion support device can be further downsized.

前記装着型動作支援装置において、装着者の直立姿勢時に、前記大腿装着部の上端と、前記下腿装着部の下端と、前記固定リンクと前記中間リンクの連結部とが、矢状面視において略同一直線上に配置されていることがよい。かかる構成により、装着型動作支援装置の大腿装着部と下腿装着部がほぼ直線上に並び、大腿装着部と下腿装着部を含む下肢フレームをより小型化することができる。   In the wearable motion support device, when the wearer is in an upright posture, the upper end of the thigh mounting part, the lower end of the lower leg mounting part, and the connecting part of the fixed link and the intermediate link are substantially in sagittal view. It is good to arrange | position on the same straight line. With this configuration, the thigh attachment part and the crus attachment part of the wearable movement support device are arranged substantially in a straight line, and the lower limb frame including the thigh attachment part and the crus attachment part can be further downsized.

本発明によれば、四節平行リンク機構を備える構成と比較して、出力リンクの動作範囲をより広い範囲(例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が0°から140°までの範囲)とすることができる。そして、この出力リンクの広い動作範囲にわたって、入力リンクから出力リンクへ安定してトルクを伝達することが可能となる。さらに、このような広い動作範囲を確保しつつ、駆動装置および装着型動作支援装置の小型化を図ることができる。   According to the present invention, the operating range of the output link is wider than the configuration including the four-bar parallel link mechanism (for example, the angle of the output link relative to the fixed link is 0 ° to 140 °). It can be. The torque can be stably transmitted from the input link to the output link over a wide operating range of the output link. Further, the drive device and the wearable motion support device can be reduced in size while ensuring such a wide operation range.

本発明に係る駆動装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the drive device which concerns on this invention. 図1の駆動装置の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which increased the output link angle of the drive device of FIG. 装着型動作支援装置の全体的な概略構成を示す図である。It is a figure which shows the whole schematic structure of a mounting | wearing type | mold movement assistance apparatus. 装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図である。It is a front view which shows the lower left part of a mounting | wearing type | mold movement assistance apparatus. 装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。It is a side view which shows the lower left part of a mounting | wearing type | mold movement assistance apparatus. 膝を屈曲させた姿勢の装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。It is a side view which shows the lower left part of the mounting | wearing type | mold movement assistance apparatus of the attitude | position which bent the knee. 第1の並進自由度機構の拡大側面図である。It is an enlarged side view of a 1st translational freedom degree mechanism. 第2の並進自由度機構の拡大側面図である。It is an enlarged side view of a 2nd translational freedom degree mechanism. 動作支援装置が備える五節リンク機構のリンク長比とトルク伝達比を説明する図である。It is a figure explaining the link length ratio and torque transmission ratio of the five-bar link mechanism with which an operation support device is provided. 図9に示す五節リンク機構の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which increased the output link angle of the five-bar linkage mechanism shown in FIG. 装着型動作支援装置の大腿フレームを係止具で装着者の大腿部に係留させた状態を示す図であり、(a)は直立姿勢の様子を示す図、(b)は蹲踞の姿勢時の様子を示す図である。It is a figure which shows the state which tethered the thigh frame of the mounting | wearing type movement assistance apparatus to the wearer's thigh with a fastener, (a) is a figure which shows the mode of an upright posture, (b) is the time of the posture of a heel FIG. 本発明に係る駆動装置を作業用車両のアームに適用させた例を示す図であって、(a)はアームを下げた図であり、(b)はアームを上げた図である。It is a figure which shows the example which applied the drive device which concerns on this invention to the arm of a working vehicle, Comprising: (a) is the figure which lowered | hung the arm, (b) is the figure which raised the arm. 本発明に係る駆動装置を産業用ロボットのアームに適用させた例を示す図であって、(a)はアームを下げた図であり、(b)はアームを上げた図である。It is a figure which shows the example which applied the drive device based on this invention to the arm of an industrial robot, Comprising: (a) is the figure which lowered | hung the arm, (b) is the figure which raised the arm. 従来の四節平行リンク機構を示す図であり、(a)は出力リンク角が0°のときの状態を示しており、(b)は出力リンク角が140°のときの状態を示している。It is a figure which shows the conventional four-bar parallel link mechanism, (a) has shown the state when an output link angle is 0 degree, (b) has shown the state when an output link angle is 140 degrees. .

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout the drawings, and redundant description thereof is omitted.

[駆動装置]
まず、本発明に係る駆動装置について、図1および図2を参照しながら説明する。図1は本発明に係る駆動装置の概略構成を示す図であり、図2は図1の駆動装置の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。図1に示すように、駆動装置8は、五節リンク機構10と、五節リンク機構10へ動力を与えるアクチュエータ9とを備えている。
[Driver]
First, a drive device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a drive device according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a state where an output link angle of the drive device of FIG. 1 is increased. As shown in FIG. 1, the drive device 8 includes a five-bar link mechanism 10 and an actuator 9 that supplies power to the five-bar link mechanism 10.

五節リンク機構10は、入力リンク11、固定リンク12、中間リンク13、出力リンク14および媒介リンク15の5つのリンクが順次回転可能に連結されて成る閉じられたリンク機構である。具体的には、入力リンク11と固定リンク12は入力軸16により回動自在に連結されており、固定リンク12と中間リンク13は連結軸17により回動自在に連結されており、中間リンク13と出力リンク14は連結軸18により回動自在に連結されており、出力リンク14と媒介リンク15とは連結軸19により回動自在に連結されており、媒介リンク15と入力リンク11とは連結軸20により回動自在に連結されている。図1,2に示す例では、入力軸16と各連結軸17,18,19,20は平行である。以下では、固定リンク12の長軸方向H12に対する出力リンク14の長軸方向H14の傾きを「出力リンク角Q」という。出力リンク角Qは、出力リンク14の長軸方向H14と固定リンク12の長軸方向H12とが一直線に並ぶとき(図1)を0°とする。また、入力軸16と連結軸17の中心間を結ぶ仮想直線を「固定リンク線HL2」という。図1,2に示す例では、固定リンク12の長軸方向H12と固定リンク線HL2とは重複するが、固定リンク12の態様によってはこれらが重複しないこともある。さらに、連結軸17と連結軸18の中心間を結ぶ仮想直線を「中間リンク線HL3」といい、連結軸18と連結軸19の中心間を結ぶ仮想曲線を「出力リンク線HL4」という。図1,2に示す例では、出力リンク14の長軸方向H14と出力リンク線HL4とは重複しないが、出力リンク14の態様によってはこれらが重複することもある。 The five-bar link mechanism 10 is a closed link mechanism in which five links of an input link 11, a fixed link 12, an intermediate link 13, an output link 14, and an intermediate link 15 are connected so as to be sequentially rotatable. Specifically, the input link 11 and the fixed link 12 are rotatably connected by an input shaft 16, and the fixed link 12 and the intermediate link 13 are rotatably connected by a connecting shaft 17. And the output link 14 are rotatably connected by a connecting shaft 18, the output link 14 and the intermediate link 15 are rotatably connected by a connecting shaft 19, and the intermediate link 15 and the input link 11 are connected. The shaft 20 is rotatably connected. In the example shown in FIGS. 1 and 2, the input shaft 16 and the connecting shafts 17, 18, 19, and 20 are parallel. Hereinafter, the inclination of the long axis direction H 14 of the output link 14 with respect to the long axis direction H 12 of the fixed link 12 is referred to as “output link angle Q”. Output link angle Q, when the long axis direction H 14 of the output link 14 and the long axis direction H 12 of the fixed link 12 is aligned to (Figure 1) and 0 °. An imaginary straight line connecting the centers of the input shaft 16 and the connecting shaft 17 is referred to as a “fixed link line H L2 ”. In the example shown in FIGS. 1 and 2, the major axis direction H 12 of the fixed link 12 and the fixed link line H L2 overlap, but depending on the mode of the fixed link 12, they may not overlap. Further, a virtual straight line connecting between the centers of the connecting shaft 17 and the connecting shaft 18 is referred to as “intermediate link line H L3 ”, and a virtual curve connecting between the connecting shaft 18 and the center of the connecting shaft 19 is referred to as “output link line H L4 ”. . In the example shown in FIGS. 1 and 2, the long axis direction H 14 of the output link 14 and the output link line H L4 do not overlap, but they may overlap depending on the form of the output link 14.

五節リンク機構10は、固定リンク12と中間リンク13の相対変位と、中間リンク13と出力リンク14の相対変位とを所定の比率とするための、自由度制限機構23を備えている。ここで、固定リンク12と中間リンク13の相対変位とは、固定リンク線HL2と中間リンク線HL3が成す角度の変化を意味する。また、中間リンク13と出力リンク14の相対変位とは、中間リンク線中間リンク線HL3と出力リンク線HL4が成す角度の変化を意味する。この自由度制限機構23により固定リンク12、中間リンク13および出力リンク14の動作は相互に拘束されて、五節リンク機構10の自由度は1となっている。 The five-bar link mechanism 10 includes a degree-of-freedom limiting mechanism 23 for setting the relative displacement between the fixed link 12 and the intermediate link 13 and the relative displacement between the intermediate link 13 and the output link 14 to a predetermined ratio. Here, the relative displacement between the fixed link 12 and the intermediate link 13 means a change in the angle formed by the fixed link line H L2 and the intermediate link line H L3 . The relative displacement between the intermediate link 13 and the output link 14 means a change in the angle formed by the intermediate link line intermediate link line H L3 and the output link line H L4 . The operations of the fixed link 12, the intermediate link 13, and the output link 14 are mutually restrained by the degree-of-freedom limiting mechanism 23, and the degree of freedom of the five-bar link mechanism 10 is 1.

本実施の形態に係る自由度制限機構23は、一方が固定リンク12に設けられ、他方が出力リンク14に設けられた一対の噛み合う歯車で構成されている。具体的には、固定リンク12の中間リンク13と連結されている側の端部に第1歯車21が設けられており、出力リンク14の中間リンク13と連結されている側の端部に第2歯車22が設けられており、第1歯車21と第2歯車22が噛合している。第1歯車21と第2歯車22の歯車比は1:1に限定されず、第1歯車21と第2歯車22で異なる歯数の歯車が用いられてもよい。また、第1歯車21および第2歯車22の歯車比は一定に限られず、回転するうちに変化してもよい。さらに、第1歯車21および第2歯車22の全周に歯列が設けられている必要はなく、少なくとも固定リンク12に相対する出力リンク14の可動範囲において歯車21,22が噛み合うように歯列が設けられていれば足り、他は平滑であってもよい。なお、自由度制限機構23は一対の歯車から成るものに限定されない。例えば、第1歯車21および第2歯車22の一方又は両方に代えてカムを用いることができる。   The degree-of-freedom limiting mechanism 23 according to the present embodiment includes a pair of meshing gears, one provided on the fixed link 12 and the other provided on the output link 14. Specifically, the first gear 21 is provided at the end of the fixed link 12 that is connected to the intermediate link 13, and the first gear 21 is provided at the end of the output link 14 that is connected to the intermediate link 13. Two gears 22 are provided, and the first gear 21 and the second gear 22 mesh with each other. The gear ratio between the first gear 21 and the second gear 22 is not limited to 1: 1, and gears having different numbers of teeth may be used for the first gear 21 and the second gear 22. Further, the gear ratio of the first gear 21 and the second gear 22 is not limited to a constant value, and may change while rotating. Further, it is not necessary that teeth are provided on the entire circumference of the first gear 21 and the second gear 22, and the teeth 21 and 22 are engaged so that the gears 21 and 22 mesh at least in the movable range of the output link 14 relative to the fixed link 12. Is sufficient, and the others may be smooth. The degree-of-freedom limiting mechanism 23 is not limited to one composed of a pair of gears. For example, a cam can be used in place of one or both of the first gear 21 and the second gear 22.

上記構成の五節リンク機構10において、固定リンク12と出力リンク14はそれぞれ適当な支持構造体(図示略)に固定されるか、当該支持構造体の一部を構成している。そして、入力リンク11がアクチュエータ9から入力軸16回りの回転駆動力を受けると、この回転駆動力は媒介リンク15を介して出力リンク14から所定の減速比で出力される。五節リンク機構10において入力リンク11が図1に示す状態から入力軸16を中心として反時計回りに回転すると、図2に示すように、入力リンク11に連結された媒介リンク15を介して出力リンク14が連結軸18を中心として反時計回りに回転し、中間リンク13が連結軸17を中心として反時計回りに回転する。ここで、自由度制限機構23の作用により、固定リンク12と中間リンク13との相対変位と中間リンク13と出力リンク14の相対変位が所定の比率(例えば、1)に拘束されることから、入力リンク11の動作に伴って出力リンク14だけでなく中間リンク13も動作することとなる。   In the five-bar link mechanism 10 having the above-described configuration, the fixed link 12 and the output link 14 are each fixed to an appropriate support structure (not shown) or constitute a part of the support structure. When the input link 11 receives a rotational driving force around the input shaft 16 from the actuator 9, the rotational driving force is output from the output link 14 through the intermediate link 15 at a predetermined reduction ratio. When the input link 11 rotates counterclockwise around the input shaft 16 from the state shown in FIG. 1 in the five-bar link mechanism 10, the output is output via the intermediate link 15 connected to the input link 11 as shown in FIG. The link 14 rotates counterclockwise about the connecting shaft 18, and the intermediate link 13 rotates counterclockwise about the connecting shaft 17. Here, the relative displacement between the fixed link 12 and the intermediate link 13 and the relative displacement between the intermediate link 13 and the output link 14 are constrained to a predetermined ratio (for example, 1) by the action of the freedom degree limiting mechanism 23. With the operation of the input link 11, not only the output link 14 but also the intermediate link 13 operates.

上記構成の駆動装置8の五節リンク機構10は、四節平行リンク機構と比較して大きな動作範囲を有する。詳細には、五節リンク機構10の出力リンク角Qが0°から大きな角度(例えば、140°)まで変化するときに、固定リンク12と出力リンク14の間に中間リンク13が介在することにより、固定リンク12と出力リンク14を同一平面内に配置してもこれらのリンク12,14を干渉させないように構成することができる。さらに、五節リンク機構10の出力リンク角Qが0°から大きな角度(例えば、140°)まで変化するときに、この動作範囲に思案点を含まないように構成することができる。つまり、五節リンク機構10は、中間リンク13の存在により、出力リンク14の広い動作範囲(例えば、出力リンク角Qが0°から140°までの範囲)にわたって、入力リンク11から出力リンク14へのトルク伝達が不安定となることがない。   The five-bar link mechanism 10 of the drive device 8 having the above configuration has a large operating range as compared with the four-bar parallel link mechanism. Specifically, when the output link angle Q of the five-bar linkage 10 changes from 0 ° to a large angle (for example, 140 °), the intermediate link 13 is interposed between the fixed link 12 and the output link 14. Even if the fixed link 12 and the output link 14 are arranged in the same plane, the links 12 and 14 can be configured not to interfere with each other. Further, when the output link angle Q of the five-bar link mechanism 10 changes from 0 ° to a large angle (for example, 140 °), the operation range can be configured not to include a thought point. In other words, the five-bar link mechanism 10 is provided from the input link 11 to the output link 14 over the wide operating range of the output link 14 (for example, the range where the output link angle Q is 0 ° to 140 °) due to the presence of the intermediate link 13. The torque transmission of is not unstable.

上記駆動装置8の五節リンク機構10では、前述の通り、中間リンク13の存在により、固定リンク12と出力リンク14とを同じ平面内に配置することが可能となる。これに加えて、図1に示すように、固定リンク12、中間リンク13および出力リンク14を直線状に配置したときに、入力リンク11および媒介リンク15をこの直線に沿うように形成することが可能である。このようにして、五節リンク機構10をより小型化、つまり、固定リンク12に沿った細長い形状とすることができる。さらに、この五節リンク機構10では、固定リンク12、中間リンク13および出力リンク14が直線状に並んだ状態(図1)から出力リンク角Qが大きくなる方へ出力リンク14が動いたときに(図2)、入力リンク11および媒介リンク15をこれらのリンク12,13,14に沿うように形成することが可能であり、駆動装置8の小型化を図ることができる。   In the five-bar linkage 10 of the drive device 8, as described above, the presence of the intermediate link 13 makes it possible to arrange the fixed link 12 and the output link 14 in the same plane. In addition, as shown in FIG. 1, when the fixed link 12, the intermediate link 13 and the output link 14 are arranged in a straight line, the input link 11 and the intermediate link 15 may be formed along the straight line. Is possible. In this way, the five-bar link mechanism 10 can be further reduced in size, that is, formed into an elongated shape along the fixed link 12. Furthermore, in this five-bar link mechanism 10, when the output link 14 moves from the state where the fixed link 12, the intermediate link 13 and the output link 14 are arranged in a straight line (FIG. 1) to the direction where the output link angle Q increases. (FIG. 2), the input link 11 and the intermediate link 15 can be formed along these links 12, 13, and 14, and the drive device 8 can be reduced in size.

[装着型動作支援装置]
続いて、上記駆動装置8を備えた装着型動作支援装置(以下、単に動作支援装置という)について説明する。本実施の形態に係る動作支援装置30は下半身外骨格形状を有しており、高齢者、身体障害者および健常者を問わず人間の身体に装着されて、装着者の主に下肢部の筋力を補助又は代行することにより装着者の動作を支援するものである。
[Wearable motion support device]
Next, a wearable motion support device (hereinafter simply referred to as a motion support device) provided with the drive device 8 will be described. The motion support device 30 according to the present embodiment has a lower-body exoskeleton shape, is worn on the human body regardless of the elderly, the physically disabled, and the healthy person, and the muscle strength of the lower limb mainly of the wearer. The operation of the wearer is supported by assisting or acting on the device.

図3は装着型動作支援装置の全体的な概略構成を示す図である。図3に示すように、動作支援装置30は、装着具31と、装着具31に積載されたバックパック32と、バックパック32に収容されたバッテリ33および制御器34とを備えている。装着具31は、装着者の腰(骨盤)周りに装着される腰部フレーム40と、装着者の背部に装着される背部フレーム41と、装着者の下肢部に装着される左右の下肢フレーム42,42とで概略構成されている。バックパック32は背部フレーム41に着脱可能に積載されているが、バックパック32は背部フレーム41と一体的に構成されていてもよい。以下、図3に加えて図4から6を参照しつつ、装着具31の構成について詳細に説明する。図4は装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図、図5は装着型動作支援装置の左側下部を示す側面
図、図6は膝を屈曲させた姿勢の装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。なお、以下では「左右方向」とは装着者の肩幅方向をいい、「前後方向」とは装着者の前後方向をいい、「矢状面」とは装着者の身体を左右対称に切る面とこれに平行な面をいい、「前額面」とは装着者の身体を前後に切る面であって矢状面に垂直な面をいう。
FIG. 3 is a diagram showing an overall schematic configuration of the wearable motion support apparatus. As shown in FIG. 3, the operation support apparatus 30 includes a mounting tool 31, a backpack 32 loaded on the mounting tool 31, a battery 33 and a controller 34 housed in the backpack 32. The wearing tool 31 includes a lumbar frame 40 that is worn around the waist (pelvis) of the wearer, a back frame 41 that is worn on the back of the wearer, and left and right lower limb frames 42 that are worn on the lower limbs of the wearer. 42. Although the backpack 32 is detachably stacked on the back frame 41, the backpack 32 may be configured integrally with the back frame 41. Hereinafter, the configuration of the wearing tool 31 will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 6 in addition to FIG. 3. 4 is a front view showing the lower left portion of the wearable motion support device, FIG. 5 is a side view showing the lower left portion of the wearable motion support device, and FIG. 6 is a lower left portion of the wearable motion support device in a posture in which the knee is bent. FIG. In the following, “left-right direction” refers to the shoulder width direction of the wearer, “front-rear direction” refers to the front-rear direction of the wearer, and “sagittal plane” refers to a plane that cuts the wearer's body symmetrically. A plane parallel to this is referred to as “frontal plane”, which is a plane that cuts the wearer's body back and forth and is perpendicular to the sagittal plane.

(腰部フレーム40)
腰部フレーム40は、装着者の腰(骨盤)の後側および左右両側を覆うことができるように、平面視で略U字形をなしている。具体的には、腰部フレーム40は、左右方向に長尺であって装着者の腰の背側に位置する基部45と、基部45の左右両端から前方へ突出するサイド部46,46とを備えている。腰部フレーム40は、装着者の腰周りへ係留させるためのベルトやフックなどの係止具(図示略)を備えており、腰部フレーム40は装着者の腰に係留される。
(Lumbar frame 40)
The waist frame 40 has a substantially U shape in plan view so as to cover the back side and the left and right sides of the wearer's waist (pelvis). Specifically, the waist frame 40 includes a base 45 that is elongated in the left-right direction and is located on the back side of the wearer's waist, and side portions 46, 46 that protrude forward from both left and right ends of the base 45. ing. The waist frame 40 is provided with a locking tool (not shown) such as a belt or a hook for mooring around the waist of the wearer, and the waist frame 40 is anchored to the waist of the wearer.

(下肢フレーム42)
左右の下肢フレーム42,42はほぼ同一の構成であって、腰部フレーム40の左右中央を対称軸として左右線対称に設けられている。よって、以下では一方(左側)の下肢フレーム42の構造についてのみ詳細に説明し、他方の説明を省略する。下肢フレーム42は、大腿装着部である大腿アーム51と、膝関節近傍に配置される中間アーム52と、下腿装着部である下腿アーム53と、足装着部である足下アーム54とを備えている。大腿アーム51、下腿アーム53および足下アーム54は、装着者の身体へ係留させるためのベルトやフックなどの係止具(図示略)を備えている。
(Lower limb frame 42)
The left and right lower limb frames 42 and 42 have substantially the same configuration, and are provided symmetrically on the left and right lines with the left and right center of the waist frame 40 as the symmetry axis. Therefore, only the structure of one (left side) lower limb frame 42 will be described in detail below, and the description of the other will be omitted. The lower limb frame 42 includes a thigh arm 51 that is a thigh attachment portion, an intermediate arm 52 that is disposed in the vicinity of the knee joint, a crus arm 53 that is a crus attachment portion, and a foot arm 54 that is a foot attachment portion. . The thigh arm 51, the lower leg arm 53, and the lower arm 54 are provided with a locking tool (not shown) such as a belt or a hook for mooring to the wearer's body.

大腿アーム51は、股関節用アクチュエータ61および股関節用ジョイント62を介して腰部フレーム40のサイド部46の前端に接続されている。股関節用アクチュエータ61は、腰部フレーム40のサイド部46の前端部から外方へ突出するように設けられている。股関節用アクチュエータ61は、例えば、モーターと減速歯車で構成されている。図7に詳細に示されるように、股関節用アクチュエータ61の出力軸61aは股関節用ジョイント62の構成要素である第1継手621に固定されており、股関節用アクチュエータ61の駆動により腰部フレーム40に対して第1継手621が矢状面上で回動する。なお、「矢状面上で回動する」とは、矢状面と垂直な軸を中心として、矢状面との平行を維持した状態で回動することをいう。   The thigh arm 51 is connected to the front end of the side portion 46 of the waist frame 40 via a hip joint actuator 61 and a hip joint 62. The hip joint actuator 61 is provided so as to protrude outward from the front end portion of the side portion 46 of the waist frame 40. The hip joint actuator 61 includes, for example, a motor and a reduction gear. As shown in detail in FIG. 7, the output shaft 61 a of the hip joint actuator 61 is fixed to a first joint 621 that is a component of the hip joint 62, and is driven by the hip joint actuator 61 with respect to the waist frame 40. Thus, the first joint 621 rotates on the sagittal plane. Note that “rotate on the sagittal plane” means that the axis rotates around the axis perpendicular to the sagittal plane while maintaining parallelism with the sagittal plane.

股関節用ジョイント62は、第1継手621と、大腿アーム51の上部と接続された第2継手622と、第1継手621と第2継手622とを前額面上で回動可能に連結する枢軸623とを備えている。なお、「前額面上で回動する」とは、前額面と垂直な軸を中心として、前額面との平行を維持した状態で回動することをいう。   The hip joint 62 includes a first joint 621, a second joint 622 connected to the upper portion of the thigh arm 51, and a pivot 623 that rotatably connects the first joint 621 and the second joint 622 on the frontal plane. And. Note that “rotate on the front frame” means to rotate while maintaining parallel to the front frame about an axis perpendicular to the front frame.

大腿アーム51の下端には、連結軸17を介して中間アーム52の上端が回動可能に連結されている。中間アーム52の下端は、連結軸18を介して下腿アーム53の上端と回動可能に連結されている。大腿アーム51の下端に第1歯車21が設けられ、下腿アーム53の上端に第2歯車22が設けられ、これらの噛合する歯車21,22が自由度制限機構23を構成している。このように連結された大腿アーム51、中間アーム52および下腿アーム53は、五節リンク機構10の一部を構成している。大腿アーム51は固定リンク12に、中間アーム52は中間リンク13に、下腿アーム53は出力リンク14にそれぞれ相当する。五節リンク機構10に回転動力を付与する膝関節用アクチュエータ63は、大腿アーム51にブラケット63a等を介して固定されている。膝関節用アクチュエータ63は、例えば、モーターと減速歯車で構成されている。このように膝関節用アクチュエータ63が装着者の膝関節から離れた腰側に配置されることにより、膝関節用アクチュエータ63が装着者の膝関節近傍に配置された構成と比較して、装着者の歩行時に膝関節用アクチュエータ63の重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを低減させること
ができる。
The upper end of the intermediate arm 52 is rotatably connected to the lower end of the thigh arm 51 via the connecting shaft 17. The lower end of the intermediate arm 52 is rotatably connected to the upper end of the lower leg arm 53 via the connecting shaft 18. The first gear 21 is provided at the lower end of the thigh arm 51, and the second gear 22 is provided at the upper end of the lower leg arm 53, and the meshing gears 21, 22 constitute the degree-of-freedom limiting mechanism 23. The thigh arm 51, the intermediate arm 52, and the crus arm 53 connected in this way constitute a part of the five-bar linkage mechanism 10. The thigh arm 51 corresponds to the fixed link 12, the intermediate arm 52 corresponds to the intermediate link 13, and the crus arm 53 corresponds to the output link 14. The knee joint actuator 63 that applies rotational power to the five-bar linkage mechanism 10 is fixed to the thigh arm 51 via a bracket 63a and the like. The knee joint actuator 63 includes, for example, a motor and a reduction gear. As described above, the knee joint actuator 63 is disposed on the waist side away from the wearer's knee joint, so that the knee joint actuator 63 is disposed in the vicinity of the wearer's knee joint. The moment of inertia applied to the wearer due to the weight of the knee joint actuator 63 during walking can be reduced.

膝関節用アクチュエータ63の出力軸、すなわち、五節リンク機構10への入力軸16には、入力リンク11の一端が固定されている。入力リンク11の他端は、連結軸20を介して媒介リンク15の一端と回動可能に連結されている。媒介リンク15の他端は、連結軸19を介して下腿アーム53と回動可能と連結されている。このように、下肢フレーム42の膝関節部分の周りに五節リンク機構10および膝関節用アクチュエータ63(アクチュエータ9)からなる駆動装置8が設けられている。そして、入力リンク11が膝関節用アクチュエータ63から入力軸16回りの回転駆動力を受けると、図6に示すように、入力リンク11に連結された媒介リンク15を介して下腿アーム53が連結軸18を中心として回転し、中間アーム52が連結軸17を中心として回転する。ここで、自由度制限機構23の作用により、大腿アーム51と中間アーム52の相対変位と中間アーム52と下腿アーム53の相対変位が所定の比率(例えば、1)に拘束されて、入力リンク11の動作に伴って下腿アーム53だけでなく中間アーム52も動作する。   One end of the input link 11 is fixed to the output shaft of the knee joint actuator 63, that is, the input shaft 16 to the five-bar linkage mechanism 10. The other end of the input link 11 is rotatably connected to one end of the intermediate link 15 via the connecting shaft 20. The other end of the intermediate link 15 is connected to the lower leg arm 53 via the connecting shaft 19 so as to be rotatable. As described above, the drive device 8 including the five-joint link mechanism 10 and the knee joint actuator 63 (actuator 9) is provided around the knee joint portion of the lower limb frame 42. When the input link 11 receives a rotational driving force around the input shaft 16 from the knee joint actuator 63, the lower leg arm 53 is connected to the connecting shaft via the intermediate link 15 connected to the input link 11, as shown in FIG. The intermediate arm 52 rotates about the connecting shaft 17. Here, due to the action of the degree-of-freedom limiting mechanism 23, the relative displacement between the thigh arm 51 and the intermediate arm 52 and the relative displacement between the intermediate arm 52 and the crus arm 53 are constrained to a predetermined ratio (for example, 1), and the input link 11 In accordance with the operation, not only the lower leg arm 53 but also the intermediate arm 52 operates.

大腿アーム51の長さ(長軸方向の寸法)は装着者の大腿の長さにおおよそ適合するように調整されている。このように調整された大腿アーム51の長さを「大腿アームの基準長さ」ということとする。大腿アームの基準長さは、大腿アーム51の最小長さでもある。大腿アーム51は、大腿アーム51を基準長さから1−30mmだけ並進方向(長軸方向)へ伸長可能とする、第1の並進自由度機構55を備えている。図7にも示すように、第1の並進自由度機構55は、大腿アーム51と股関節用ジョイント62の第2継手622との接続部において、第2継手622から並進方向に延びる接続ピン55aと、大腿アーム51に設けられた接続ピン55aが摺動可能に挿入される接続孔55bと、接続ピン55aに嵌装された圧縮バネ55cとで構成されている。接続ピン55aは接続孔55bよりも長く、接続ピン55aの下端は接続孔55bから下方へ突き抜けており、その下端部に鍔部が形成されている。接続孔55bの開口縁と接続ピン55aの鍔部は並進方向に離間しており、接続ピン55aの接続孔55bの開口縁と接続ピン55aの鍔部の間に圧縮バネ55cが設けられている。接続ピン55aと大腿アーム51とは滑り対偶であって、接続ピン55aと接続孔55bとの間に滑りが生じることにより大腿アーム51が並進方向へ伸長する。さらに、接続ピン55aは接続孔55b内で半径方向(接続ピン55aの軸回り)に回動可能であって、これにより大腿アーム51に回旋自由度(接続ピン55aの軸回りの回転1自由度)が与えられている。なお、大腿アーム51の並進方向への伸長代E1は、第2継手622の下端と大腿アーム51の上端との間に現れる接続ピン55aの長さである。伸長代E1は、第2継手622の下端と大腿アーム51の上端が当接しているときに0であって、伸長代E1が0となるように圧縮バネ55cにより接続ピン55aが付勢されている。そして、大腿アーム51に引張荷重がかかったときに、圧縮バネ55cの付勢力に抗して接続ピン55aが接続孔55b内を移動することによって伸長代E1が増大する。   The length (dimension in the major axis direction) of the thigh arm 51 is adjusted to approximately match the length of the wearer's thigh. The length of the thigh arm 51 adjusted in this way is referred to as the “reference length of the thigh arm”. The reference length of the thigh arm is also the minimum length of the thigh arm 51. The thigh arm 51 includes a first translational degree-of-freedom mechanism 55 that enables the thigh arm 51 to extend in the translation direction (long axis direction) by 1-30 mm from the reference length. As shown in FIG. 7, the first translational degree-of-freedom mechanism 55 includes a connection pin 55 a extending in the translational direction from the second joint 622 at the connection portion between the thigh arm 51 and the second joint 622 of the hip joint 62. The connecting pin 55a provided on the thigh arm 51 is slidably inserted into the connecting hole 55b, and the compression spring 55c is fitted on the connecting pin 55a. The connection pin 55a is longer than the connection hole 55b, the lower end of the connection pin 55a projects downward from the connection hole 55b, and a flange is formed at the lower end. The opening edge of the connection hole 55b and the flange portion of the connection pin 55a are spaced apart in the translational direction, and a compression spring 55c is provided between the opening edge of the connection hole 55b of the connection pin 55a and the flange portion of the connection pin 55a. . The connection pin 55a and the thigh arm 51 are a sliding pair, and the thigh arm 51 extends in the translational direction when a slip occurs between the connection pin 55a and the connection hole 55b. Further, the connection pin 55a can be rotated in the radial direction (around the axis of the connection pin 55a) in the connection hole 55b, thereby allowing the thigh arm 51 to rotate freely (one degree of freedom of rotation around the axis of the connection pin 55a). ) Is given. The extension allowance E1 of the thigh arm 51 in the translation direction is the length of the connection pin 55a that appears between the lower end of the second joint 622 and the upper end of the thigh arm 51. The expansion margin E1 is 0 when the lower end of the second joint 622 and the upper end of the thigh arm 51 are in contact with each other, and the connection pin 55a is urged by the compression spring 55c so that the expansion margin E1 becomes zero. Yes. When a tensile load is applied to the thigh arm 51, the extension pin E1 increases as the connection pin 55a moves in the connection hole 55b against the urging force of the compression spring 55c.

また、下腿アーム53の長さ(長軸方向の寸法)は、装着者の下腿部の長さに適合するように調整されている。このように調整された下腿アーム53の長さを「下腿アームの基準長さ」ということとする。下腿アームの基準長さは、下腿アーム53の最小長さでもある。下腿アーム53は、下腿アーム53を基準長さから1−30mmだけ並進方向(長軸方向)へ伸長可能とする、第2の並進自由度機構57を備えている。図8にも示すように、第2の並進自由度機構57は、下腿アーム53の下端と、後述する足関節用ジョイント64の第1継手641との接続部において、第1継手641に設けられた並進方向に延びる角柱部57aと、下腿アーム53に設けられた角柱部57aが摺動可能に挿入される角筒部57bと、角柱部57aを角筒部57b内へ収容する方向へ付勢する付勢部材としての引張バネ57cとで構成されている。角柱部57aと下腿アーム53とは滑り対偶であって、角柱部57aが角筒部57b内を並進方向に滑ることにより、下腿アーム53は並
進方向に伸長する。上記構成において、下腿アーム53の並進方向への伸長代E2は、下腿アーム53の下端と第1継手641の上端との間に現れる角柱部57aの長さである。伸長代E2は、下腿アーム53の下端と第1継手641の上端が当接しているときに0であって、引張バネ57cは伸長代E2が0となるように角柱部57aを付勢している。そして、下腿アーム53に引張荷重がかかったときに、引張バネ57cの付勢力に抗して角柱部57aが角筒部57b内を移動することによって、伸長代E2が増大する。
Further, the length (dimension in the long axis direction) of the lower leg arm 53 is adjusted to match the length of the wearer's lower leg. The length of the lower leg arm 53 adjusted in this way is referred to as “reference length of the lower leg arm”. The reference length of the lower leg arm is also the minimum length of the lower leg arm 53. The crus arm 53 includes a second translational degree-of-freedom mechanism 57 that enables the crus arm 53 to extend in the translational direction (long axis direction) by 1-30 mm from the reference length. As shown in FIG. 8, the second translational freedom degree mechanism 57 is provided in the first joint 641 at a connection portion between the lower end of the crus arm 53 and a first joint 641 of an ankle joint 64 described later. The prism portion 57a extending in the translational direction, the rectangular tube portion 57b into which the rectangular column portion 57a provided on the crus arm 53 is slidably inserted, and the direction in which the rectangular column portion 57a is accommodated in the rectangular tube portion 57b. And a tension spring 57c as an urging member. The rectangular column part 57a and the crus arm 53 are sliding pairs, and the crus arm 53 extends in the translational direction when the prismatic part 57a slides in the translational direction in the rectangular tube part 57b. In the above configuration, the extension E2 in the translational direction of the crus arm 53 is the length of the prism portion 57a that appears between the lower end of the crus arm 53 and the upper end of the first joint 641. The extension E2 is 0 when the lower end of the crus arm 53 and the upper end of the first joint 641 are in contact with each other, and the tension spring 57c urges the prism 57a so that the extension E2 becomes 0. Yes. Then, when a tensile load is applied to the crus arm 53, the extension allowance E2 increases as the prism 57a moves in the rectangular tube 57b against the urging force of the tension spring 57c.

なお、上述のように大腿アーム51と下腿アーム53の基準長さは、それぞれ装着者の大腿と下腿の寸法に適合するように調整されるが、大腿アーム51と下腿アーム53の基準長さにさほどの精度は求められない。大腿アーム51と下腿アーム53が各々並進自由度を備えていることに加え、これらの間に中間アーム52が設けられることによって、多少の寸法誤差が許容される。   As described above, the reference lengths of the thigh arm 51 and the lower leg arm 53 are adjusted so as to match the dimensions of the wearer's thigh and lower leg, respectively. Not much accuracy is required. In addition to the thigh arm 51 and the lower leg arm 53 each having a degree of freedom of translation, the provision of the intermediate arm 52 between them allows a slight dimensional error.

下腿アーム53と足下アーム54とは、足関節用ジョイント64を介して接続されている。足関節用ジョイント64は、下腿アーム53の下端に接続された第1継手641と、足下アーム54の上端に接続された第2継手643と、第1継手641と第2継手643を枢結する枢結軸642とで構成されている。第1継手641は枢結軸642に遊嵌されており、第1継手641は枢結軸642を中心として矢状面上で回動可能であるとともに、前額面上で揺動可能である。第2継手643の下部には、足下アーム54を構成する足裏プレート531が接続されている。足裏プレート531は、少なくとも装着者の踵を覆う一体的な形状を有している。   The lower leg arm 53 and the lower arm 54 are connected via an ankle joint 64. The ankle joint 64 pivots the first joint 641 connected to the lower end of the lower leg arm 53, the second joint 643 connected to the upper end of the lower arm 54, and the first joint 641 and the second joint 643. And a pivot shaft 642. The first joint 641 is loosely fitted to the pivot shaft 642, and the first joint 641 can rotate on the sagittal plane about the pivot shaft 642 and can swing on the frontal plane. A sole plate 531 constituting the foot arm 54 is connected to the lower portion of the second joint 643. The sole plate 531 has an integral shape that covers at least the wearer's heel.

(背部フレーム41)
背部フレーム41は、いわゆる背負子である。背部フレーム41は、装着者の肩や胸に係留させるための脇ベルト、肩紐およびフックなどの係止具(図示略)を備えている。背部フレーム41には、バックパック32が積載される。バックパック32に格納されたバッテリ33は、股関節用アクチュエータ61、膝関節用アクチュエータ63、および制御器34へ電気を供給する。また、バックパック32に格納された制御器34は、装着具31の各部に設けたセンサ(図示略)からの検出信号を受けて、装着具31が装着者の動作を補助又は代行するように股関節用アクチュエータ61および膝関節用アクチュエータ63を制御する。なお、上記センサは、部材の重心の変化量や部材に加わる負荷量などの物理量を検出するセンサであるが、これらに代えて又はこれらに加えて装着者の生体信号を検出する生体信号センサを用いても良い。生体信号センサを用いれば、装着者の意思に従った動力をアクチュエータ61,63に発生させることができる。
(Back frame 41)
The back frame 41 is a so-called backpack. The back frame 41 is provided with a side belt for anchoring to the shoulder and chest of the wearer, a locking device (not shown) such as a shoulder strap and a hook. A backpack 32 is loaded on the back frame 41. The battery 33 stored in the backpack 32 supplies electricity to the hip joint actuator 61, the knee joint actuator 63, and the controller 34. Further, the controller 34 stored in the backpack 32 receives a detection signal from a sensor (not shown) provided in each part of the wearing tool 31 so that the wearing tool 31 assists or substitutes the operation of the wearer. The hip joint actuator 61 and the knee joint actuator 63 are controlled. The sensor is a sensor that detects a physical quantity such as a change in the center of gravity of the member or a load applied to the member. Instead of or in addition to these, a biosignal sensor that detects a wearer's biosignal is used. It may be used. If the biological signal sensor is used, the actuators 61 and 63 can generate power according to the wearer's intention.

上記構成の動作支援装置30において、五節リンク機構10の5つのリンクのリンク長比は、動作支援装置30として最適なトルク伝達比を発揮できるように設定されている。すなわち、リンク長比により、膝関節用アクチュエータ63が一定出力であっても、蹲踞の姿勢時には力強いアシスト力を発揮し且つ直立姿勢時には俊敏なバックドライブを確保できるようなトルク伝達比に調整されている。このようなトルク伝達比は、出力リンク角Qが0−140°の範囲において、出力リンク角Qが増大するに伴って大きくなる特性を有している。また、このようなトルク伝達比は、出力リンク角Qが0−140°の範囲において、出力リンク角Qが0°のときに1未満であり、出力リンク角Qが90°以上で1よりも大きくなる特性を有していることがよい。特に、出力リンク角Qが0°近傍においてトルク伝達比は0に近い小さな値であることが望ましい。これにより、特に強力なアシストが必要となる蹲踞の姿勢において、膝関節用アクチュエータ63から出力リンクである下腿アーム53へ効果的に動力が伝達される。   In the operation support device 30 configured as described above, the link length ratio of the five links of the five-bar link mechanism 10 is set so that the optimum torque transmission ratio can be exhibited as the operation support device 30. That is, the link length ratio is adjusted so that even if the knee joint actuator 63 has a constant output, the torque transmission ratio is such that a strong assist force is exerted in the heel posture and an agile back drive is secured in the upright posture. Yes. Such a torque transmission ratio has a characteristic that the output link angle Q increases as the output link angle Q increases when the output link angle Q is in the range of 0 to 140 °. Further, such torque transmission ratio is less than 1 when the output link angle Q is 0 ° in the range of the output link angle Q of 0-140 °, and is less than 1 when the output link angle Q is 90 ° or more. It is preferable to have a characteristic of increasing. In particular, it is desirable that the torque transmission ratio be a small value close to 0 when the output link angle Q is near 0 °. Thus, power is effectively transmitted from the knee joint actuator 63 to the crus arm 53 as an output link in a heel posture that requires particularly strong assistance.

図9は動作支援装置が備える五節リンク機構のリンク長比とトルク伝達比を説明する図であり、図10は図9に示す五節リンク機構の出力リンク角を増大させた状態を示す図で
ある。図9および10において、入力軸16と連結軸20の中心間距離は、入力リンク11のリンク長L1である。同様に、入力軸16と連結軸17の中心間距離は、固定リンク12のリンク長L2である。連結軸17と連結軸18の中心間距離は、中間リンク13のリンク長L3である。連結軸18と連結軸19の中心間距離は、出力リンク14のリンク長L4である。そして、連結軸19と連結軸20の中心間距離は、媒介リンク15のリンク長L5である。また、Linは、入力軸16の中心から媒介リンク線HL5に下ろした垂線の長さであり、入力垂線距離Linとする。ここで、媒介リンク線HL5は、連結軸19と連結軸20の中心間を結ぶ仮想直線である。Loutは、第1歯車21と第2歯車22との噛
合点P3から媒介リンク線HL5に下ろした垂線の長さであり、出力垂線距離Loutとする
。入力垂線距離Linと出力垂線距離Loutは、5つのリンク長L1,L2,L3,L4,
L5に依存する値である。そして、出力垂線距離Loutを入力垂線距離Linで除した値が
、トルク伝達比(=Lout/Lin)となる。
FIG. 9 is a diagram for explaining the link length ratio and the torque transmission ratio of the five-bar link mechanism provided in the operation support device, and FIG. 10 is a diagram showing a state in which the output link angle of the five-bar link mechanism shown in FIG. 9 is increased. It is. 9 and 10, the distance between the centers of the input shaft 16 and the connecting shaft 20 is the link length L 1 of the input link 11. Similarly, the distance between the centers of the input shaft 16 and the connecting shaft 17 is the link length L2 of the fixed link 12. The distance between the centers of the connecting shaft 17 and the connecting shaft 18 is the link length L3 of the intermediate link 13. The distance between the centers of the connecting shaft 18 and the connecting shaft 19 is the link length L4 of the output link 14. The distance between the centers of the connecting shaft 19 and the connecting shaft 20 is the link length L5 of the intermediate link 15. Further, Lin is the length of a perpendicular drawn from the center of the input shaft 16 to the intermediate link line H L5, and is defined as an input perpendicular distance Lin. Here, the intermediate link line H L5 is an imaginary straight line that connects between the centers of the connecting shaft 19 and the connecting shaft 20. Lout is the length of the perpendicular drawn to the mediating link line H L5 from the engagement point P3 between the first gear 21 and second gear 22, and outputs the perpendicular distance Lout. The input perpendicular distance Lin and the output perpendicular distance Lout are the five link lengths L1, L2, L3, L4.
The value depends on L5. A value obtained by dividing the output normal distance Lout by the input normal distance Lin is the torque transmission ratio (= Lout / Lin).

次に示す数式1および数式2は、動作支援装置30が備える五節リンク機構10が思案点となる条件式である。数式1および数式2を満たさない範囲で五節リンク機構10を設計することにより、動作支援装置30が備える五節リンク機構10が思案点となることを避けることができる。   The following formulas 1 and 2 are conditional expressions for which the five-joint link mechanism 10 included in the motion support device 30 is a pondering point. By designing the five-bar link mechanism 10 within a range not satisfying the mathematical expressions 1 and 2, it is possible to avoid the five-bar link mechanism 10 included in the operation support device 30 from being a wonder point.

Figure 2016026105
Figure 2016026105

Figure 2016026105
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数式1と数式2において、QL0およびQLfは固定リンク線HL2と出力リンク線HL4が成す角である。QL0は装着者の膝関節が最も伸びたとき(直立姿勢)の固定リンク線HL2と出力リンク線HL4が成す角であり、QLfは装着者の膝関節が最も曲がったとき(蹲踞の姿勢)の固定リンク線HL2と出力リンク線HL4が成す角である。また、rは1/(1+ny)である。ここでnyは固定リンク12と中間リンク13の相対変位の比率である。本実施形態のように自由度制限機構23として噛み合う歯車21,22を用い、その歯車比が1:1である場合は、ny=1となる。 In Equations 1 and 2, Q L0 and Q Lf are angles formed by the fixed link line H L2 and the output link line H L4 . Q L0 is an angle formed by the fixed link line H L2 and the output link line H L4 when the wearer's knee joint is most extended (upright posture), and Q Lf is when the wearer's knee joint is bent most (蹲踞Angle) formed by the fixed link line H L2 and the output link line H L4 . R is 1 / (1 + ny). Here, ny is the ratio of the relative displacement between the fixed link 12 and the intermediate link 13. When gears 21 and 22 that mesh with each other are used as the degree of freedom limiting mechanism 23 as in the present embodiment and the gear ratio is 1: 1, ny = 1.

数式1と数式2を用いてリンク長比を求める手法を、媒介リンク長L5を決定する場合について具体例(図示しない)を挙げて次に説明する。はじめに、媒介リンク長L5以外のリンク長(L1,L2,L3,L4)が装着者の身体寸法に合わせて定められる。例えば、入力リンク長L1=60mm,固定リンク長L2=210mm,中間リンク長L3=40mm,出力リンク長L4=50mmである。そして、動作支援装置30の構成に合わせてny,QL0,QLfの各値が定められる。例えば、ny=1,QL0=0°,QLf=140°である。これらの各数値条件を数式1および数式2に代入して、媒介リンク長L5を求める。すると、数式1では媒介リンク長L5=240mmと算出され、数式2では媒介リンク長L5=258mmと算出される。このように数式1および数式2を用いて算出された媒介リンク長L5の下限より大きく且つ上限より小さい値のなかから、媒介リンク長L5となる値が選択される。ここでは、例えば、数式1の解と数式2の解との間を取って、媒介リンク長L5=250mmが選択される。以上のようにして求められたリンク長比(入力リンク長L1=60mm,固定リンク長L2=210mm,中間リンク長L3=40mm,出力リンク長L4=50mm,媒介リンク長L5=250mm)のトルク伝達比は表1に示す通りである。 A method for obtaining the link length ratio using Equations 1 and 2 will be described below with reference to a specific example (not shown) in the case of determining the intermediate link length L5. First, link lengths (L1, L2, L3, L4) other than the intermediate link length L5 are determined in accordance with the wearer's body dimensions. For example, the input link length L1 = 60 mm, the fixed link length L2 = 210 mm, the intermediate link length L3 = 40 mm, and the output link length L4 = 50 mm. Then, the values of ny, Q L0 , and Q Lf are determined according to the configuration of the operation support device 30. For example, ny = 1, Q L0 = 0 °, and Q Lf = 140 °. By substituting these numerical conditions into Equation 1 and Equation 2, the intermediate link length L5 is obtained. Then, in Formula 1, the mediation link length L5 = 240 mm is calculated, and in Formula 2, the mediation link length L5 = 258 mm. As described above, a value that is the intermediate link length L5 is selected from the values that are larger than the lower limit and smaller than the upper limit of the intermediate link length L5 calculated by using Equations 1 and 2. Here, for example, the intermediate link length L5 = 250 mm is selected between the solution of Equation 1 and the solution of Equation 2. Torque transmission with the link length ratio (input link length L1 = 60 mm, fixed link length L2 = 210 mm, intermediate link length L3 = 40 mm, output link length L4 = 50 mm, intermediate link length L5 = 250 mm) obtained as described above. The ratio is as shown in Table 1.

Figure 2016026105
Figure 2016026105

表1に示すトルク伝達比の出力リンク角に対する変化では、出力リンク角が0°のときにトルク伝達比が0に近い十分に小さな値であり、出力リンク角が90°以上ではトルク伝達比は1より大きい。そして、トルク伝達比は、出力リンク角の増大に伴って増大しており、表1に示す最大の出力リンク角(140°)で最大値となっている。このように、上記手法により定められたリンク長比により、動作支援装置30が備える五節リンク機構10のトルク伝達比は動作支援装置30として好適な設定となる。   In the change of the torque transmission ratio with respect to the output link angle shown in Table 1, the torque transmission ratio is a sufficiently small value close to 0 when the output link angle is 0 °, and when the output link angle is 90 ° or more, the torque transmission ratio is Greater than 1. The torque transmission ratio increases with an increase in the output link angle, and has a maximum value at the maximum output link angle (140 °) shown in Table 1. Thus, the torque transmission ratio of the five-bar link mechanism 10 included in the motion support device 30 is set to be suitable for the motion support device 30 based on the link length ratio determined by the above method.

以上説明した本実施の形態に係る動作支援装置30は、五節リンク機構10を具備する駆動装置8を備えることにより、下腿アーム53(出力リンク14)の広い動作範囲(例えば、出力リンク角Qが0−140°の範囲)にわたって、大腿アーム51と下腿アーム53が同一平面内に配置されてもこれらのアーム51,53が干渉せず且つ思案点とならない。よって、上記下腿アーム53の広い動作範囲にわたって、下腿アーム53へ安定してトルクが伝達されることとなる。これにより、動作支援装置30は、人間の膝関節の0−140°という広い動作範囲に対応することができる。   The motion support device 30 according to the present embodiment described above includes the drive device 8 including the five-bar linkage mechanism 10 so that a wide motion range (for example, the output link angle Q) of the crus arm 53 (the output link 14) is provided. Over the range of 0-140 °), even if the thigh arm 51 and the lower leg arm 53 are arranged in the same plane, these arms 51 and 53 do not interfere with each other and do not become a thought point. Therefore, torque is stably transmitted to the lower leg arm 53 over the wide operating range of the lower leg arm 53. Thereby, the movement support apparatus 30 can respond to a wide movement range of 0-140 ° of the human knee joint.

さらに、本実施の形態に係る動作支援装置30は、駆動装置8を備えることにより、上記広い動作範囲を確保しつつ、より小型化することができる。具体的には、下腿アーム53と大腿アーム51がほぼ同じ矢状面上に配置されることにより、下肢フレーム42の左右方向の厚みの増加が抑制されている。これに加えて、装着者の直立姿勢時に、矢状面視(図5)において、大腿アーム51の上端P1と、下腿アーム53の下端P2と、大腿アーム51と中間アーム52の連結軸17とが略同一直線上に配置されることにより、下肢フレーム42の前後方向の厚みの増加が抑制されている。なお、図5において、大腿アーム51の上端P1は、腰部フレーム40と下肢フレーム42との接続部を指している。   Furthermore, the operation support apparatus 30 according to the present embodiment can be further reduced in size while ensuring the wide operation range by including the drive device 8. Specifically, the increase in the thickness of the lower limb frame 42 in the left-right direction is suppressed by arranging the lower leg arm 53 and the upper leg arm 51 on substantially the same sagittal plane. In addition, the upper end P1 of the thigh arm 51, the lower end P2 of the crus arm 53, and the connecting shaft 17 of the thigh arm 51 and the intermediate arm 52 in the sagittal view (FIG. 5) when the wearer is standing upright. Are arranged on substantially the same straight line, an increase in the thickness of the lower limb frame 42 in the front-rear direction is suppressed. In FIG. 5, the upper end P <b> 1 of the thigh arm 51 indicates a connection portion between the waist frame 40 and the lower limb frame 42.

図5に示すように、大腿アーム51の上端P1は装着者の股関節の側方に位置し、下腿アーム53の下端P2は装着者の踝の側方に位置している。矢状面視において、これらの点(P1とP2)を結ぶ直線は装着者の膝関節よりも背面側を通っており、この直線上に連結軸17および連結軸18がおよそ位置している。このように連結軸17,18が配置されることによって、大腿アーム51、中間アーム52および下腿アーム53により成る下肢フレーム42の基本部分がおおよそ直線形状を成すこととなる。このように下肢フレーム42の基本部分がおおよそ直線形状を成すことで、下肢フレーム42の膝関節部分(中間アーム52)よりも上方に位置する荷重を下肢フレーム42の基本部分に受動的に支持させることができる。そして、上述のように直線状に並んだ大腿アーム51、中間アーム52および下腿アーム53に沿うように入力リンク11および媒介リンク15を形成することが可能である。さらに、出力リンク角が増大した状態において、入力リンク11および媒介リンク15を大腿アーム51に沿わせるように形成することが可能である。このように五節リンク機構10が形成された結果、直立姿勢と蹲踞の姿勢の両方において、下肢フレーム42およびその一部が装着者の前方又は後方へ大きく突出することがなく、下肢フレーム42は装着者の下肢に沿ったコンパクトなものとなる。   As shown in FIG. 5, the upper end P1 of the thigh arm 51 is located on the side of the wearer's hip joint, and the lower end P2 of the lower leg arm 53 is located on the side of the wearer's heel. In the sagittal view, a straight line connecting these points (P1 and P2) passes through the back side of the knee joint of the wearer, and the connecting shaft 17 and the connecting shaft 18 are approximately located on this straight line. By arranging the connecting shafts 17 and 18 in this way, the basic portion of the lower limb frame 42 composed of the thigh arm 51, the intermediate arm 52, and the lower leg arm 53 has a substantially linear shape. In this way, the basic portion of the lower limb frame 42 has a substantially linear shape, so that the load positioned above the knee joint portion (intermediate arm 52) of the lower limb frame 42 is passively supported by the basic portion of the lower limb frame 42. be able to. Then, it is possible to form the input link 11 and the intermediate link 15 along the thigh arm 51, the intermediate arm 52, and the crus arm 53 that are arranged in a straight line as described above. Furthermore, it is possible to form the input link 11 and the intermediate link 15 along the thigh arm 51 in a state where the output link angle is increased. As a result of forming the five-bar link mechanism 10 in this way, the lower limb frame 42 and a part thereof do not protrude greatly forward or backward of the wearer in both the upright posture and the heel posture, and the lower limb frame 42 It becomes compact along the wearer's lower limbs.

なお、大腿アームと下腿アームとを膝関節軸で連結して成る従来の動作支援装置において、膝関節軸を装着者の膝関節よりも背面側に配置した場合、装着者が膝を屈曲させるに
従って、膝関節軸が配置される装着者の身体の部位から装着者の踝までの距離が減少する。この距離の変化は、装着者の身体と装着具とのズレ等の問題を引き起こす。これに対し、本実施形態に係る動作支援装置30では上記問題が回避又は軽減されている。図5に示すように、装着者が直立姿勢のときに、矢状面視において、連結軸18、歯車21,22の噛合点P3および下腿アーム53の下端P2がほぼ一直線上に並んでいる。そして、図6に示すように、装着者が膝を屈曲させるに従って、歯車21,22の噛合点P3と下腿アーム53の下端P2とを結ぶ直線から連結軸18が離れるため、歯車21,22の噛合点P3と下腿アーム53の下端P2とを結ぶ線分の長さが減少する。つまり、装着者が膝を屈曲させるときに、歯車21,22の噛合点P3が配置される装着者の身体の部位から装着者の踝までの距離の減少に伴って、歯車21,22の噛合点P3と下腿アーム53の下端P2とを結ぶ線分の長さも減少するので、装着者の身体と装着具とのズレが回避又は軽減される。
In addition, in a conventional motion support device in which a thigh arm and a lower leg arm are connected by a knee joint axis, when the knee joint axis is arranged on the back side of the wearer's knee joint, the wearer bends the knee. The distance from the body part of the wearer where the knee joint axis is arranged to the wearer's heel decreases. This change in distance causes problems such as a deviation between the wearer's body and the wearing tool. On the other hand, in the operation support apparatus 30 according to the present embodiment, the above problem is avoided or reduced. As shown in FIG. 5, when the wearer is in an upright posture, the connecting shaft 18, the meshing point P <b> 3 of the gears 21 and 22, and the lower end P <b> 2 of the crus arm 53 are aligned substantially in a straight line. As shown in FIG. 6, as the wearer flexes the knee, the connecting shaft 18 moves away from the straight line connecting the meshing point P3 of the gears 21 and 22 and the lower end P2 of the crus arm 53. The length of the line segment connecting the meshing point P3 and the lower end P2 of the lower leg arm 53 decreases. That is, when the wearer bends the knee, the meshing of the gears 21 and 22 is reduced as the distance from the body part of the wearer where the meshing point P3 of the gears 21 and 22 is disposed to the wearer's heel is decreased. Since the length of the line segment connecting the point P3 and the lower end P2 of the crus arm 53 is also reduced, the displacement between the wearer's body and the wearing tool is avoided or reduced.

なお、本実施の形態に係る動作支援装置30の装着具31では、大腿アーム51および下腿アーム53のそれぞれに、装着者の身体に係留させるための係止具と、並進自由度機構(第1の並進自由度機構55と第2の並進自由度機構57)とを設けている。但し、装着具31を大腿アーム51および下腿アーム53のいずれか一方に並進自由度機構を備え、他方を装着者の身体に係留させる構成であってもよい。いずれの装着具31にせよ、装着者の骨格構造に対する大腿アーム51と下腿アーム53の長尺方向寸法の厳格な調整を不要としながらも、装着者にとって違和感の少ない下肢の動きを提供することができる。図11は、装着型動作支援装置の大腿フレームを係止具で装着者の大腿部に係留させた状態を示す図であり、(a)は直立姿勢の様子を示す図、(b)は蹲踞の姿勢時の様子を示す図である。図11(a)(b)に示すように、大腿アーム51を係止具75により装着
者の大腿に係留させ且つ足下アーム54を係止具76により装着者の足に係留させる場合には、下腿アーム53に第2の並進自由度機構57を備えれば足りる。このような装着形態は、装着者の歩行を支援するために利用される動作支援装置30に適している。また、中間アーム52を係止具により装着者の下腿部に係留させ且つ足下アーム54を係止具により装着者の足に係留させる場合には、大腿アーム51に第1の並進自由度機構55を備えれば足りる。このような装着形態は、装着者の荷役を支援するために利用される動作支援装置30に適している。
In addition, in the wearing tool 31 of the motion support device 30 according to the present embodiment, the thigh arm 51 and the lower thigh arm 53 are locked to the wearer's body and a translational freedom degree mechanism (first Are provided with a translational freedom degree mechanism 55 and a second translational degree of freedom mechanism 57). However, the configuration may be such that the wearing tool 31 is provided with a translational degree-of-freedom mechanism on one of the thigh arm 51 and the lower leg arm 53 and the other is moored on the wearer's body. Regardless of the wearing device 31, it is possible to provide the movement of the lower limb with less discomfort for the wearer while eliminating the need for strict adjustment of the longitudinal dimension of the thigh arm 51 and the lower leg arm 53 with respect to the wearer's skeleton structure. it can. FIG. 11 is a view showing a state in which the thigh frame of the wearable motion support device is moored to the wearer's thigh with a locking tool, (a) is a view showing the upright posture, and (b) is a view. It is a figure which shows the mode at the time of the posture of a heel. As shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), when the thigh arm 51 is moored to the wearer's thigh by the locking device 75 and the foot arm 54 is moored to the wearer's foot by the locking device 76, It is sufficient if the lower leg arm 53 is provided with the second translational freedom degree mechanism 57. Such a wearing form is suitable for the motion support apparatus 30 used to support the wearer's walking. Further, when the intermediate arm 52 is anchored to the wearer's lower leg by the locking tool and the foot arm 54 is moored to the wearer's foot by the locking tool, the first translational degree of freedom mechanism is added to the thigh arm 51 55 is enough. Such a mounting form is suitable for the operation support apparatus 30 used to support the load handling of the wearer.

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。   The preferred embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes can be made as long as they are described in the claims. is there.

例えば、本発明に係る駆動装置8は、上述の下半身外骨格形状を有する装着型動作支援装置30に限らず、他の装着型動作支援装置にも適用することができる。例えば、装着型動作支援装置は、装着者の膝の屈伸のみを支援するものであってもよい。この場合の動作支援装置の装着具は、大腿装着部(固定リンク12)、膝関節部(中間リンク13)、下腿装着部(出力リンク14)、入力リンク11および媒介リンク15から成る1自由度五節リンク機構10と、入力リンク11へ動力を付与するアクチュエータ9とを含む駆動装置8を備えることとなる。また、例えば、装着型動作支援装置は、装着者の肘の屈伸を支援するものであってもよい。この場合の動作支援装置の装着具は、上腕装着部(固定リンク12)、肘関節部(中間リンク13)、下腕装着部(出力リンク14)、入力リンク11および媒介リンク15から成る1自由度五節リンク機構10と、入力リンク11へ動力を付与するアクチュエータ9とを含む駆動装置8を備えることとなる。   For example, the driving device 8 according to the present invention can be applied not only to the wearable motion support device 30 having the lower body exoskeleton shape described above but also to other wearable motion support devices. For example, the wearable movement support device may support only the bending and stretching of the wearer's knee. In this case, the wearing tool of the motion support device includes a thigh attachment part (fixed link 12), a knee joint part (intermediate link 13), a crus attachment part (output link 14), an input link 11, and an intermediate link 15. A drive device 8 including a five-bar linkage mechanism 10 and an actuator 9 that applies power to the input link 11 is provided. Further, for example, the wearable movement support device may support bending and stretching of the wearer's elbow. In this case, the wearing tool of the motion support apparatus is a free one comprising an upper arm wearing part (fixed link 12), an elbow joint part (intermediate link 13), a lower arm wearing part (output link 14), an input link 11 and an intermediate link 15. A drive device 8 including a five-joint link mechanism 10 and an actuator 9 that applies power to the input link 11 is provided.

さらに、駆動装置8は装着型動作支援装置以外にも、屈曲するアームを備えたあらゆる装置や機械に適用させることができる。図12は本発明に係る駆動装置を作業用車両のアームに適用させた例を示す図であって、(a)はアームを下げた図であり、(b)はアー
ムを上げた図である。図12(a)(b)では、作業用車両であるブルドーザーが備える
アームに、駆動装置8を適用させている。具体的には、ブルドーザーのアームが、入力リンク11、固定リンク12、中間リンク13、出力リンク14および媒介リンク15の5つのリンクが順次回転可能に連結されてなる1自由度五節リンク機構10で構成されている。そして、アクチュエータ9により入力リンク11へ回転駆動力が与えられることにより、ブルドーザーのアームを昇降させることができる。
Furthermore, the drive device 8 can be applied to any device or machine having a bending arm in addition to the wearable motion support device. FIG. 12 is a view showing an example in which the drive device according to the present invention is applied to an arm of a work vehicle, in which (a) is a view in which the arm is lowered, and (b) is a view in which the arm is raised. . 12 (a) and 12 (b), the drive device 8 is applied to an arm provided in a bulldozer that is a work vehicle. Specifically, the bulldozer arm has a one-degree-of-freedom five-joint link mechanism 10 in which five links of an input link 11, a fixed link 12, an intermediate link 13, an output link 14, and an intermediate link 15 are connected so as to be sequentially rotatable. It consists of The actuator 9 can move the bulldozer arm up and down by applying a rotational driving force to the input link 11.

また、図13は本発明に係る駆動装置を産業用ロボットのアームに適用させた例を示す図であって、(a)はアームを下げた図であり、(b)はアームを上げた図である。図13(a)(b)では、産業用ロボットのアームに、駆動装置8を適用させている。具体的
には、産業用ロボットのアームが、入力リンク11、固定リンク12、中間リンク13、出力リンク14および媒介リンク15の5つのリンクが順次回転可能に連結されてなる1自由度五節リンク機構10で構成されている。そして、アクチュエータ9により入力リンク11へ回転駆動力が与えられることにより、産業用ロボットのアームを屈伸させることができる。
FIG. 13 is a view showing an example in which the drive device according to the present invention is applied to an arm of an industrial robot, where (a) is a view in which the arm is lowered, and (b) is a view in which the arm is raised. It is. 13A and 13B, the drive device 8 is applied to the arm of an industrial robot. Specifically, the arm of an industrial robot is a one-degree-of-freedom five-joint link in which five links of an input link 11, a fixed link 12, an intermediate link 13, an output link 14, and an intermediate link 15 are sequentially connected to be rotatable. The mechanism 10 is configured. Then, by applying a rotational driving force to the input link 11 by the actuator 9, the arm of the industrial robot can be bent and stretched.

本発明に係る駆動装置は、屈曲する関節を備えたあらゆる装置や機械において、四節平行リンク機構を備える場合と比較して広い可動範囲を確保しつつ更なる小型化を図るために有用である。   The drive device according to the present invention is useful for further miniaturization while ensuring a wide movable range as compared with a case where a four-bar parallel link mechanism is provided in any device or machine having a bending joint. .

8 駆動装置
9 アクチュエータ
10 五節リンク機構
11 入力リンク
12 固定リンク
13 中間リンク
14 出力リンク
15 媒介リンク
16 入力軸
17,18,19,20 連結軸
21,22 歯車
23 自由度制限機構
30 動作支援装置
31 装着具
32 バックパック
33 バッテリ
34 制御器
40 腰部フレーム
41 背部フレーム
42 下肢フレーム
51 大腿アーム
52 中間アーム
53 下腿アーム
54 足下アーム
63 膝関節用アクチュエータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 Drive apparatus 9 Actuator 10 Five-bar link mechanism 11 Input link 12 Fixed link 13 Intermediate link 14 Output link 15 Intermediary link 16 Input shaft 17, 18, 19, 20 Connection shaft 21, 22 Gear 23 Degree of freedom restriction mechanism 30 Operation support device DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 Wearing tool 32 Backpack 33 Battery 34 Controller 40 Lumbar frame 41 Back frame 42 Lower limb frame 51 Thigh arm 52 Middle arm 53 Lower leg arm 54 Lower leg arm 63 Knee joint actuator

本発明は、五節リンク機構を備えた、屈曲可能に連接された2つの構造体の関節の駆動装置に関する。 The present invention relates to a joint drive device for two structures connected to each other so as to be bendable and provided with a five-bar linkage mechanism.

近年、利用者の身体に装着されて、利用者の動作を支援する動作支援装置が開発されている。例えば、利用者の歩行時や起立時などの股関節や膝関節の動きを補助するための、下半身外骨格形状を有する装着型動作支援装置が知られている。このような装着型動作支援装置は、一般に、装着者の腰に装着される腰装着部、大腿に装着される大腿装着部、下腿に装着される下腿装着部、腰装着部と大腿装着部の間の股関節部および大腿装着部と下腿装着部との間の膝関節部にそれぞれ配置されたアクチュエータ等からなる装着具を備えている。しかし、装着具の膝関節部近傍にアクチュエータが配置されると、アクチュエータの重みにより膝関節部周りの装着具のイナーシャが増大し、装着者の軽快な歩行が阻害されたり、イナーシャを受けた装着具の動きを修正するためにアクチュエータの負荷が増大するという課題があった。   2. Description of the Related Art In recent years, an operation support device that is worn on a user's body and supports the user's operation has been developed. For example, a wearable motion support device having a lower-body exoskeleton shape for assisting movement of a hip joint and a knee joint when a user walks or stands is known. Such a wearable movement support device is generally composed of a waist mounting part to be worn on the waist of the wearer, a thigh wearing part to be worn on the thigh, a lower leg wearing part to be worn on the lower leg, a waist wearing part and a thigh wearing part. There are provided wearing tools composed of actuators and the like disposed respectively at the hip joint part and the knee joint part between the thigh attachment part and the lower leg attachment part. However, if an actuator is placed near the knee joint of the wearer, the inertia of the wearer around the knee joint will increase due to the weight of the actuator, and the wearer's light walking will be hindered or worn. There has been a problem that the load on the actuator increases in order to correct the movement of the tool.

そこで、特許文献1に記載の肢体アシスト装置では、装着具に大腿装着部と下腿装着部とを含む四節平行リンク機構を備えることにより、膝関節用アクチュエータの重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを軽減している。具体的には、この肢体アシスト装置は、第一のリンク部、大腿リンク部、下腿リンク部および第二のリンク部を順次回転自在に連結してなる閉じられた四節リンク機構と、第一のリンク部を駆動する膝関節用アクチュエータとを備えている。そして、肢体アシスト装置が具備するアクチュエータの中でも特に重量の大きい膝関節用アクチュエータを利用者の膝関節よりも体幹(胴体)方向へ配置している。   Therefore, in the limb body assisting device described in Patent Document 1, the wearer is provided with a four-node parallel link mechanism including a thigh attachment portion and a crus attachment portion, which is applied to the wearer due to the weight of the knee joint actuator. The moment of inertia is reduced. Specifically, the limb assist device includes a closed four-joint link mechanism in which a first link part, a thigh link part, a crus link part, and a second link part are sequentially and rotatably connected, And an actuator for a knee joint that drives the link portion. Among the actuators included in the limb assisting device, the actuator for the knee joint, which is particularly heavy, is arranged in the trunk (trunk) direction from the user's knee joint.

特許文献1に基づけば、例えば、図14(a)に示すように、動作支援装置の装着具の下肢部分に入力リンク99a、固定リンク99b、出力リンク99cおよび媒介リンク99dを順次回転可能に連結して成る四節平行リンク機構99が備えられることとなる。人間の膝関節は、直立から蹲踞まで姿勢を変化させるときに約140°という広い動作範囲を有することが知られている。そこで、上記四節平行リンク機構99において出力リンク99cが固定リンク99bと一列に並んだ状態を0°として、ここから出力リンク99cを140°まで動かしてみると、図14(b)に示すように、出力リンク99cの角度が0−140°内の或値で、四節平行リンク機構99は思案点となる。四節平行リンク機構99が思案点となるときは、装着者の膝が大きく屈曲して特に外部動力によるサポートが必要なときでもある。ところが、思案点では入力リンク99aから出力リンク99cまでのトルク伝達が不安定となる。このような理由から、動作支援装置の装着具の下肢部分に四節平行リンク機構を備えると、人間の膝関節の広い動作範囲に対応することが困難である。   Based on Patent Literature 1, for example, as shown in FIG. 14 (a), an input link 99a, a fixed link 99b, an output link 99c, and an intermediate link 99d are sequentially connected to the lower limbs of the wearing tool of the motion support device. Thus, a four-bar parallel link mechanism 99 is provided. It is known that the human knee joint has a wide movement range of about 140 ° when changing posture from upright to heel. Therefore, when the output link 99c is aligned with the fixed link 99b in the four-bar parallel link mechanism 99 as 0 °, and the output link 99c is moved to 140 ° from here, as shown in FIG. 14 (b). In addition, when the angle of the output link 99c is a value within 0-140 °, the four-bar parallel link mechanism 99 becomes a thought point. When the four-bar parallel link mechanism 99 becomes a point of thinking, it is also when the wearer's knee is bent greatly and support by external power is particularly necessary. However, torque transmission from the input link 99a to the output link 99c becomes unstable at the thought point. For these reasons, if a four-joint parallel link mechanism is provided in the lower limb portion of the wearing tool of the movement support device, it is difficult to cope with a wide movement range of the human knee joint.

また、動作支援装置の装着具の下肢部分を四節平行リンク機構で構成する場合、入力リンクから出力リンクへのトルク伝達率は常に1である。ところが、立位や直立歩行時には、膝関節に余分な負荷を掛けないために、装着具における入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は小さいことが望ましい。そして、蹲踞の姿勢では、蹲踞の姿勢から直立姿勢へ移行するときに装着者の体重を支持しながら装着者の動きを力強くアシストするために、装着具における入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は大きいことが望ましい。つまり、動作支援装置の装着具において入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は直立姿勢で小さく、蹲踞の姿勢で大きい特性を有することが望ましい。   Further, when the lower limb part of the wearing tool of the motion support device is configured by the four-bar parallel link mechanism, the torque transmission rate from the input link to the output link is always 1. However, when standing or standing upright, it is desirable that the torque transmission ratio from the input link to the output link in the wearing tool is small so as not to apply an extra load to the knee joint. In the posture of the heel, the torque transmission ratio from the input link to the output link in the wearing tool is used to strongly assist the wearer's movement while supporting the weight of the wearer when shifting from the heel posture to the upright posture. Is desirable to be large. That is, it is desirable that the torque transmission ratio from the input link to the output link is small in the upright posture and large in the heel posture in the wearing tool of the motion support device.

そこで、特許文献2では、動作支援装置の装着具の下肢部分に四節非平行リンク機構を備え、リンク長比を調整することによって人間の膝関節の広い動作範囲に対応するとともに入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比を好適に調整できるようにしている。具体的には、特許文献2に記載された動力付歩行支援装置では、入力リンク、固定リンク、出力リンクおよび中間リンクを順次回転自在に連結してなる閉じられた四節非平行リンク機構を備えている。この四節リンク機構のうち、固定リンクが大腿に固定され、出力リンクが下腿に固定され、入力リンクに動力が入力される。そして、対向するリンクのリンク長比の和同士がほぼ等しくなるように、各リンク長が定められている。   Therefore, in Patent Document 2, a four-node non-parallel link mechanism is provided in the lower limb portion of the wearing tool of the movement support device, and the link length ratio is adjusted to cope with a wide movement range of the human knee joint and output from the input link. The torque transmission ratio to the link can be suitably adjusted. Specifically, the powered walking support apparatus described in Patent Document 2 includes a closed four-bar non-parallel link mechanism in which an input link, a fixed link, an output link, and an intermediate link are sequentially connected in a freely rotatable manner. ing. Of the four-bar linkage mechanism, the fixed link is fixed to the thigh, the output link is fixed to the lower leg, and power is input to the input link. Each link length is determined so that the sum of the link length ratios of the opposed links is substantially equal.

特開2006−334200号公報JP 2006-334200 A 特開2008−23234号公報JP 2008-23234 A

特許文献2に記載された動力付歩行支援装置によれば、人間の膝関節の広い動作範囲に対応可能となるものの、膝関節の屈曲に追従してリンクが動くと入力リンクと中間リンクとの連結部が大きく後方へ出っ張ることとなり、装着具が大型化してしまう。装着具の大型化は、装着具の重量化や装着感の低下に繋がる。   According to the powered walking support device described in Patent Document 2, it is possible to cope with a wide range of motion of the human knee joint, but when the link moves following the knee joint flexion, the input link and the intermediate link A connection part will protrude largely back, and an installation tool will enlarge. An increase in the size of the wearing tool leads to an increase in weight of the wearing tool and a decrease in wearing feeling.

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲にわたって良好にトルクを伝達可能であり、且つ、更なる小型化を実現可能とする、関節の駆動装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can transmit torque well over a wide operating range as compared with the four-link parallel link mechanism of the output link. It is an object of the present invention to provide a joint drive device that can be realized.

本発明に係る関節の駆動装置は、屈曲する関節によって連接された2つの構造体における前記関節の駆動装置であって、
入力リンク、前記2つの構造体のうち一方に設けられた固定リンク、中間リンク、前記2つの構造体のうち他方に設けられた出力リンクおよび媒介リンクの5つのリンクが順次回転可能に連結されて成る五節リンク機構と、
前記固定リンクと前記中間リンクの相対変位と前記中間リンクと前記出力リンクの相対変位を所定の比率に拘束することにより前記五節リンク機構の自由度を1に制限する自由度制限機構と、
前記入力リンクに対し前記固定リンクとの連結部回りの回転駆動力を与えるアクチュエータとを備えていることを特徴としている
A joint driving device according to the present invention is the joint driving device in two structures connected by a bending joint,
An input link, a fixed link provided on one of the two structures , an intermediate link, an output link provided on the other of the two structures, and an intermediary link are sequentially connected to be rotatable. A five-bar linkage mechanism,
And freedom limiting mechanism that limits the freedom of the five festivals link mechanism 1 by restraining the relative displacement of the intermediate link and the output link and relative displacement of said intermediate link and said fixed link at a predetermined ratio,
It is characterized in that it comprises an actuator providing rotational driving force of the connecting portion around the fixed link with respect to the input link.

上記構成の関節の駆動装置によれば、固定リンクと出力リンクとの間に中間リンクが存在することにより、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲(例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が0°から140°までの範囲)にわたって、出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置してもこれらのリンクが干渉しない構成とすることが可能となる。また、出力リンクの上記広い動作範囲にわたって、思案点を通過しない構成とすることが可能となり、上記広い動作範囲で入力リンクから出力リンクへの安定したトルク伝達を行うことが可能となる。また、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクを直線状に配置したときに、入力リンクおよび媒介リンクをこの直線に沿うように形成することが可能であり、関節の駆動装置の小型化を図ることができる。さらに、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクが直線状に並んだ状態から出力リンクが動作するときに、入力リンクおよび媒介リンクをこれらのリンクに沿うように形成することが可能であり、関節の駆動装置の小型化を図ることができる。 According to the joint drive device having the above-described configuration, the intermediate link exists between the fixed link and the output link, so that the operation range is wider than the four-link parallel link mechanism of the output link (for example, relative to the fixed link). Even if the output link and the fixed link are arranged in the same plane over the range of the angle of the output link to be performed in the range from 0 ° to 140 °, it is possible to configure such that these links do not interfere. Further, it is possible to adopt a configuration that does not pass the thought point over the wide operating range of the output link, and it is possible to perform stable torque transmission from the input link to the output link in the wide operating range. Further, when the fixed link, the intermediate link, and the output link are arranged in a straight line, the input link and the intermediate link can be formed along the straight line, and the joint drive device can be downsized. it can. Furthermore, when the output link operates from a state where the fixed link, the intermediate link and the output link are arranged in a straight line, the input link and the intermediate link can be formed along these links, and the drive of the joint The size of the apparatus can be reduced.

前記関節の駆動装置において、前記自由度制限機構は、前記固定リンクと前記中間リンクとの連結部に設けられた前記固定リンクと共に回動する歯車前記出力リンクと前記中間リンクとの連結部に設けられた前記出力リンクと共に回動する歯車との、噛合し合う歯車としてよいIn the driving device of the joint, the degrees of freedom limiting mechanism, the fixed link and the gear that rotates together with the fixed link is provided in a connecting part between the intermediate link, the connecting portion between the intermediate link and the output link to the gear which rotates together with the output link which is provided, it may be a gear mutually in mesh.

前記関節の駆動装置において、前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が0°から140°までの範囲において、前記出力リンクの角度の増大に伴ってトルク伝達比が増大する関係を有していよい。 In the joint drive device , the link length ratio of the input link, the fixed link, the intermediate link, the output link and the intermediate link is such that the angle of the output link relative to the fixed link is from 0 ° to 140 °. in the range, it may have a relationship that the torque transmission ratio increases with increasing angle of the output link.

さらには、前記関節の駆動装置において、前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が0°から140°までの範囲において、0°のときにトルク伝達比が1より小さく、90°以上でトルク伝達比が1以上となる関係を有していてよいFurthermore, in the joint drive device , the link length ratio of the input link, the fixed link, the intermediate link, the output link and the intermediate link is such that the angle of the output link relative to the fixed link is 0 °. in the range of up to 140 °, 0 torque transmission ratio when ° is smaller than 1, may have a relationship that the torque transmission ratio of 1 or more than 90 °.

上記構成によれば、関節が伸びているときにトルク伝達比が小さく、関節を伸ばすときにトルク伝達比が大きくなり、関節を伸ばすときの強力なアシストとを実現することができる。 According to the above arrangement, a small torque transmission ratio when the joint is extended, the torque transmission ratio becomes greater when extending the joint, it is possible to realize a strong assist when extending the joint.

前記関節の駆動装置において、前記固定リンクと前記出力リンクが同じ矢状面上に配置されていることがよい。かかる構成により、関節の駆動装置をより小型化することができる。 In the joint drive device , the fixed link and the output link may be disposed on the same sagittal plane. With this configuration, the joint driving device can be further downsized.

本発明によれば、四節平行リンク機構と比較して、出力リンクの動作範囲をより広い範囲(例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が0°から140°までの範囲)とすることができる。そして、この出力リンクの広い動作範囲にわたって、入力リンクから出力リンクへ安定してトルクを伝達することが可能となる。さらに、このような広い動作範囲を確保しつつ、関節の駆動装置の小型化を図ることができる。 According to the present invention, the operation range of the output link is set to a wider range (for example, the angle of the output link relative to the fixed link is in the range of 0 ° to 140 °) compared to the four-bar parallel link mechanism. Can do. The torque can be stably transmitted from the input link to the output link over a wide operating range of the output link. Furthermore, the joint drive device can be reduced in size while ensuring such a wide operating range.

本発明の一実施形態に係る関節の駆動装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the drive device of the joint which concerns on one Embodiment of this invention. 図1の関節の駆動装置の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which increased the output link angle of the drive device of the joint of FIG. 本発明の一実施形態に係る関節の駆動装置を適用した装着型動作支援装置の全体的な概略構成を示す図である。 1 is a diagram illustrating an overall schematic configuration of a wearable motion support apparatus to which a joint drive device according to an embodiment of the present invention is applied . 装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図である。It is a front view which shows the lower left part of a mounting | wearing type | mold movement assistance apparatus. 装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。It is a side view which shows the lower left part of a mounting | wearing type | mold movement assistance apparatus. 膝を屈曲させた姿勢の装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。It is a side view which shows the lower left part of the mounting | wearing type | mold movement assistance apparatus of the attitude | position which bent the knee. 第1の並進自由度機構の拡大側面図である。It is an enlarged side view of a 1st translational freedom degree mechanism. 第2の並進自由度機構の拡大側面図である。It is an enlarged side view of a 2nd translational freedom degree mechanism. 動作支援装置が備える五節リンク機構のリンク長比とトルク伝達比を説明する図である。It is a figure explaining the link length ratio and torque transmission ratio of the five-bar link mechanism with which an operation support device is provided. 図9に示す五節リンク機構の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which increased the output link angle of the five-bar linkage mechanism shown in FIG. 装着型動作支援装置の大腿フレームを係止具で装着者の大腿部に係留させた状態を示す図であり、(a)は直立姿勢の様子を示す図、(b)は蹲踞の姿勢時の様子を示す図である。It is a figure which shows the state which tethered the thigh frame of the mounting | wearing type movement assistance apparatus to the wearer's thigh with a fastener, (a) is a figure which shows the mode of an upright posture, (b) is the time of the posture of a heel FIG. 本発明の一実施形態に係る関節の駆動装置を作業用車両のアームに適用させた例を示す図であって、(a)はアームを下げた図であり、(b)はアームを上げた図である。 It is a figure which shows the example which applied the drive device of the joint which concerns on one Embodiment of this invention to the arm of a working vehicle, Comprising: (a) is the figure which lowered | hung the arm, (b) raised the arm FIG. 本発明の一実施形態に係る関節の駆動装置を産業用ロボットのアームに適用させた例を示す図であって、(a)はアームを下げた図であり、(b)はアームを上げた図である。 It is a figure which shows the example which applied the drive device of the joint which concerns on one Embodiment of this invention to the arm of an industrial robot, Comprising: (a) is the figure which lowered | hung the arm, (b) raised the arm FIG. 従来の四節平行リンク機構を示す図であり、(a)は出力リンク角が0°のときの状態を示しており、(b)は出力リンク角が140°のときの状態を示している。It is a figure which shows the conventional four-bar parallel link mechanism, (a) has shown the state when an output link angle is 0 degree, (b) has shown the state when an output link angle is 140 degrees. .

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout the drawings, and redundant description thereof is omitted.

[駆動装置]
まず、本発明の一実施形態に係る関節の駆動装置について、図1および図2を参照しながら説明する。図1は本発明に係る関節の駆動装置の概略構成を示す図であり、図2は図1の関節の駆動装置の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。図1に示すように、関節の駆動装置8は、五節リンク機構10と、五節リンク機構10へ動力を与えるアクチュエータ9とを備えている。
[Driver]
First, a joint drive device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a joint driving device according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a state where an output link angle of the joint driving device of FIG. 1 is increased. As shown in FIG. 1, the joint drive device 8 includes a five-bar link mechanism 10 and an actuator 9 that supplies power to the five-bar link mechanism 10.

五節リンク機構10は、入力リンク11、固定リンク12、中間リンク13、出力リンク14および媒介リンク15の5つのリンクが順次回転可能に連結されて成る閉じられたリンク機構である。具体的には、入力リンク11と固定リンク12は入力軸16により回動自在に連結されており、固定リンク12と中間リンク13は連結軸17により回動自在に連結されており、中間リンク13と出力リンク14は連結軸18により回動自在に連結されており、出力リンク14と媒介リンク15とは連結軸19により回動自在に連結されており、媒介リンク15と入力リンク11とは連結軸20により回動自在に連結されている。図1,2に示す例では、入力軸16と各連結軸17,18,19,20は平行である。以下では、固定リンク12の長軸方向H12に対する出力リンク14の長軸方向H14の傾きを「出力リンク角Q」という。出力リンク角Qは、出力リンク14の長軸方向H14と固定リンク12の長軸方向H12とが一直線に並ぶとき(図1)を0°とする。また、入力軸16と連結軸17の中心間を結ぶ仮想直線を「固定リンク線HL2」という。図1,2に示す例では、固定リンク12の長軸方向H12と固定リンク線HL2とは重複するが、固定リンク12の態様によってはこれらが重複しないこともある。さらに、連結軸17と連結軸18の中心間を結ぶ仮想直線を「中間リンク線HL3」といい、連結軸18と連結軸19の中心間を結ぶ仮想曲線を「出力リンク線HL4」という。図1,2に示す例では、出力リンク14の長軸方向H14と出力リンク線HL4とは重複しないが、出力リンク14の態様によってはこれらが重複することもある。 The five-bar link mechanism 10 is a closed link mechanism in which five links of an input link 11, a fixed link 12, an intermediate link 13, an output link 14, and an intermediate link 15 are connected so as to be sequentially rotatable. Specifically, the input link 11 and the fixed link 12 are rotatably connected by an input shaft 16, and the fixed link 12 and the intermediate link 13 are rotatably connected by a connecting shaft 17. And the output link 14 are rotatably connected by a connecting shaft 18, the output link 14 and the intermediate link 15 are rotatably connected by a connecting shaft 19, and the intermediate link 15 and the input link 11 are connected. The shaft 20 is rotatably connected. In the example shown in FIGS. 1 and 2, the input shaft 16 and the connecting shafts 17, 18, 19, and 20 are parallel. Hereinafter, the inclination of the long axis direction H 14 of the output link 14 with respect to the long axis direction H 12 of the fixed link 12 is referred to as “output link angle Q”. Output link angle Q, when the long axis direction H 14 of the output link 14 and the long axis direction H 12 of the fixed link 12 is aligned to (Figure 1) and 0 °. An imaginary straight line connecting the centers of the input shaft 16 and the connecting shaft 17 is referred to as a “fixed link line H L2 ”. In the example shown in FIGS. 1 and 2, the major axis direction H 12 of the fixed link 12 and the fixed link line H L2 overlap, but depending on the mode of the fixed link 12, they may not overlap. Further, a virtual straight line connecting between the centers of the connecting shaft 17 and the connecting shaft 18 is referred to as “intermediate link line H L3 ”, and a virtual curve connecting between the connecting shaft 18 and the center of the connecting shaft 19 is referred to as “output link line H L4 ”. . In the example shown in FIGS. 1 and 2, the long axis direction H 14 of the output link 14 and the output link line H L4 do not overlap, but they may overlap depending on the form of the output link 14.

五節リンク機構10は、固定リンク12と中間リンク13の相対変位と、中間リンク13と出力リンク14の相対変位とを所定の比率とするための、自由度制限機構23を備えている。ここで、固定リンク12と中間リンク13の相対変位とは、固定リンク線HL2と中間リンク線HL3が成す角度の変化を意味する。また、中間リンク13と出力リンク14の相対変位とは、中間リンク線中間リンク線HL3と出力リンク線HL4が成す角度の変化を意味する。この自由度制限機構23により固定リンク12、中間リンク13および出力リンク14の動作は相互に拘束されて、五節リンク機構10の自由度は1となっている。 The five-bar link mechanism 10 includes a degree-of-freedom limiting mechanism 23 for setting the relative displacement between the fixed link 12 and the intermediate link 13 and the relative displacement between the intermediate link 13 and the output link 14 to a predetermined ratio. Here, the relative displacement between the fixed link 12 and the intermediate link 13 means a change in the angle formed by the fixed link line H L2 and the intermediate link line H L3 . The relative displacement between the intermediate link 13 and the output link 14 means a change in the angle formed by the intermediate link line intermediate link line H L3 and the output link line H L4 . The operations of the fixed link 12, the intermediate link 13, and the output link 14 are mutually restrained by the degree-of-freedom limiting mechanism 23, and the degree of freedom of the five-bar link mechanism 10 is 1.

本実施の形態に係る自由度制限機構23は、一方が固定リンク12に設けられ、他方が出力リンク14に設けられた一対の噛み合う歯車で構成されている。具体的には、固定リンク12の中間リンク13と連結されている側の端部に第1歯車21が設けられており、出力リンク14の中間リンク13と連結されている側の端部に第2歯車22が設けられており、第1歯車21と第2歯車22が噛合している。第1歯車21と第2歯車22の歯車比は1:1に限定されず、第1歯車21と第2歯車22で異なる歯数の歯車が用いられてもよい。また、第1歯車21および第2歯車22の歯車比は一定に限られず、回転するうちに変化してもよい。さらに、第1歯車21および第2歯車22の全周に歯列が設けられている必要はなく、少なくとも固定リンク12に相対する出力リンク14の可動範囲において歯車21,22が噛み合うように歯列が設けられていれば足り、他は平滑であってもよい。なお、自由度制限機構23は一対の歯車から成るものに限定されない。例えば、第1歯車21および第2歯車22の一方又は両方に代えてカムを用いることができる。   The degree-of-freedom limiting mechanism 23 according to the present embodiment includes a pair of meshing gears, one provided on the fixed link 12 and the other provided on the output link 14. Specifically, the first gear 21 is provided at the end of the fixed link 12 that is connected to the intermediate link 13, and the first gear 21 is provided at the end of the output link 14 that is connected to the intermediate link 13. Two gears 22 are provided, and the first gear 21 and the second gear 22 mesh with each other. The gear ratio between the first gear 21 and the second gear 22 is not limited to 1: 1, and gears having different numbers of teeth may be used for the first gear 21 and the second gear 22. Further, the gear ratio of the first gear 21 and the second gear 22 is not limited to a constant value, and may change while rotating. Further, it is not necessary that teeth are provided on the entire circumference of the first gear 21 and the second gear 22, and the teeth 21 and 22 are engaged so that the gears 21 and 22 mesh at least in the movable range of the output link 14 relative to the fixed link 12. Is sufficient, and the others may be smooth. The degree-of-freedom limiting mechanism 23 is not limited to one composed of a pair of gears. For example, a cam can be used in place of one or both of the first gear 21 and the second gear 22.

上記構成の五節リンク機構10において、固定リンク12と出力リンク14はそれぞれ適当な支持構造体(図示略)に固定されるか、当該支持構造体の一部を構成している。そして、入力リンク11がアクチュエータ9から入力軸16回りの回転駆動力を受けると、この回転駆動力は媒介リンク15を介して出力リンク14から所定の減速比で出力される。五節リンク機構10において入力リンク11が図1に示す状態から入力軸16を中心として反時計回りに回転すると、図2に示すように、入力リンク11に連結された媒介リンク15を介して出力リンク14が連結軸18を中心として反時計回りに回転し、中間リンク13が連結軸17を中心として反時計回りに回転する。ここで、自由度制限機構23の作用により、固定リンク12と中間リンク13との相対変位と中間リンク13と出力リンク14の相対変位が所定の比率(例えば、1)に拘束されることから、入力リンク11の動作に伴って出力リンク14だけでなく中間リンク13も動作することとなる。   In the five-bar link mechanism 10 having the above-described configuration, the fixed link 12 and the output link 14 are each fixed to an appropriate support structure (not shown) or constitute a part of the support structure. When the input link 11 receives a rotational driving force around the input shaft 16 from the actuator 9, the rotational driving force is output from the output link 14 through the intermediate link 15 at a predetermined reduction ratio. When the input link 11 rotates counterclockwise around the input shaft 16 from the state shown in FIG. 1 in the five-bar link mechanism 10, the output is output via the intermediate link 15 connected to the input link 11 as shown in FIG. The link 14 rotates counterclockwise about the connecting shaft 18, and the intermediate link 13 rotates counterclockwise about the connecting shaft 17. Here, the relative displacement between the fixed link 12 and the intermediate link 13 and the relative displacement between the intermediate link 13 and the output link 14 are constrained to a predetermined ratio (for example, 1) by the action of the freedom degree limiting mechanism 23. With the operation of the input link 11, not only the output link 14 but also the intermediate link 13 operates.

上記構成の駆動装置8の五節リンク機構10は、四節平行リンク機構と比較して大きな動作範囲を有する。詳細には、五節リンク機構10の出力リンク角Qが0°から大きな角度(例えば、140°)まで変化するときに、固定リンク12と出力リンク14の間に中間リンク13が介在することにより、固定リンク12と出力リンク14を同一平面内に配置してもこれらのリンク12,14を干渉させないように構成することができる。さらに、五節リンク機構10の出力リンク角Qが0°から大きな角度(例えば、140°)まで変化するときに、この動作範囲に思案点を含まないように構成することができる。つまり、五節リンク機構10は、中間リンク13の存在により、出力リンク14の広い動作範囲(例えば、出力リンク角Qが0°から140°までの範囲)にわたって、入力リンク11から出力リンク14へのトルク伝達が不安定となることがない。   The five-bar link mechanism 10 of the drive device 8 having the above configuration has a large operating range as compared with the four-bar parallel link mechanism. Specifically, when the output link angle Q of the five-bar linkage 10 changes from 0 ° to a large angle (for example, 140 °), the intermediate link 13 is interposed between the fixed link 12 and the output link 14. Even if the fixed link 12 and the output link 14 are arranged in the same plane, the links 12 and 14 can be configured not to interfere with each other. Further, when the output link angle Q of the five-bar link mechanism 10 changes from 0 ° to a large angle (for example, 140 °), the operation range can be configured not to include a thought point. In other words, the five-bar link mechanism 10 is provided from the input link 11 to the output link 14 over the wide operating range of the output link 14 (for example, the range where the output link angle Q is 0 ° to 140 °) due to the presence of the intermediate link 13. The torque transmission of is not unstable.

上記関節の駆動装置8の五節リンク機構10では、前述の通り、中間リンク13の存在により、固定リンク12と出力リンク14とを同じ平面内に配置することが可能となる。これに加えて、図1に示すように、固定リンク12、中間リンク13および出力リンク14を直線状に配置したときに、入力リンク11および媒介リンク15をこの直線に沿うように形成することが可能である。このようにして、五節リンク機構10をより小型化、つまり、固定リンク12に沿った細長い形状とすることができる。さらに、この五節リンク機構10では、固定リンク12、中間リンク13および出力リンク14が直線状に並んだ状態(図1)から出力リンク角Qが大きくなる方へ出力リンク14が動いたときに(図2)、入力リンク11および媒介リンク15をこれらのリンク12,13,14に沿うように形成することが可能であり、関節の駆動装置8の小型化を図ることができる。 In the five- joint link mechanism 10 of the joint drive device 8 described above, the presence of the intermediate link 13 makes it possible to arrange the fixed link 12 and the output link 14 in the same plane. In addition, as shown in FIG. 1, when the fixed link 12, the intermediate link 13 and the output link 14 are arranged in a straight line, the input link 11 and the intermediate link 15 may be formed along the straight line. Is possible. In this way, the five-bar link mechanism 10 can be further reduced in size, that is, formed into an elongated shape along the fixed link 12. Furthermore, in this five-bar link mechanism 10, when the output link 14 moves from the state where the fixed link 12, the intermediate link 13 and the output link 14 are arranged in a straight line (FIG. 1) to the direction where the output link angle Q increases. (FIG. 2), the input link 11 and the intermediate link 15 can be formed along these links 12, 13, and 14, and the joint drive device 8 can be downsized.

[装着型動作支援装置]
続いて、上記関節の駆動装置8を備えた装着型動作支援装置(以下、単に動作支援装置という)について説明する。本実施の形態に係る動作支援装置30は下半身外骨格形状を有しており、高齢者、身体障害者および健常者を問わず人間の身体に装着されて、装着者の主に下肢部の筋力を補助又は代行することにより装着者の動作を支援するものである。
[Wearable motion support device]
Next, a wearable movement support apparatus (hereinafter simply referred to as a movement support apparatus) provided with the joint drive apparatus 8 will be described. The motion support device 30 according to the present embodiment has a lower-body exoskeleton shape, is worn on the human body regardless of the elderly, the physically disabled, and the healthy person, and the muscle strength of the lower limb mainly of the wearer. The operation of the wearer is supported by assisting or acting on the device.

図3は本発明の一実施形態に係る関節の駆動装置8が適用された装着型動作支援装置30の全体的な概略構成を示す図である。図3に示すように、動作支援装置30は、装着具31と、装着具31に積載されたバックパック32と、バックパック32に収容されたバッテリ33および制御器34とを備えている。装着具31は、装着者の腰(骨盤)周りに装着される腰部フレーム40と、装着者の背部に装着される背部フレーム41と、装着者の下肢部に装着される左右の下肢フレーム42,42とで概略構成されている。バックパック32は背部フレーム41に着脱可能に積載されているが、バックパック32は背部フレーム41と一体的に構成されていてもよい。以下、図3に加えて図4から6を参照しつつ、装着具31の構成について詳細に説明する。図4は装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図、図5は装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図、図6は膝を屈曲させた姿勢の装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。なお、以下では「左右方向」とは装着者の肩幅方向をいい、「前後方向」とは装着者の前後方向をいい、「矢状面」とは装着者の身体を左右対称に切る面とこれに平行な面をいい、「前額面」とは装着者の身体を前後に切る面であって矢状面に垂直な面をいう。 FIG. 3 is a diagram showing an overall schematic configuration of the wearable motion support device 30 to which the joint drive device 8 according to one embodiment of the present invention is applied . As shown in FIG. 3, the operation support apparatus 30 includes a mounting tool 31, a backpack 32 loaded on the mounting tool 31, a battery 33 and a controller 34 housed in the backpack 32. The wearing tool 31 includes a lumbar frame 40 that is worn around the waist (pelvis) of the wearer, a back frame 41 that is worn on the back of the wearer, and left and right lower limb frames 42 that are worn on the lower limbs of the wearer. 42. Although the backpack 32 is detachably stacked on the back frame 41, the backpack 32 may be configured integrally with the back frame 41. Hereinafter, the configuration of the wearing tool 31 will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 6 in addition to FIG. 3. 4 is a front view showing the lower left portion of the wearable motion support device, FIG. 5 is a side view showing the lower left portion of the wearable motion support device, and FIG. 6 is a lower left portion of the wearable motion support device in a posture in which the knee is bent. FIG. In the following, “left-right direction” refers to the shoulder width direction of the wearer, “front-rear direction” refers to the front-rear direction of the wearer, and “sagittal plane” refers to a plane that cuts the wearer's body symmetrically. A plane parallel to this is referred to as “frontal plane”, which is a plane that cuts the wearer's body back and forth and is perpendicular to the sagittal plane.

(腰部フレーム40)
腰部フレーム40は、装着者の腰(骨盤)の後側および左右両側を覆うことができるように、平面視で略U字形をなしている。具体的には、腰部フレーム40は、左右方向に長尺であって装着者の腰の背側に位置する基部45と、基部45の左右両端から前方へ突出するサイド部46,46とを備えている。腰部フレーム40は、装着者の腰周りへ係留させるためのベルトやフックなどの係止具(図示略)を備えており、腰部フレーム40は装着者の腰に係留される。
(Lumbar frame 40)
The waist frame 40 has a substantially U shape in plan view so as to cover the back side and the left and right sides of the wearer's waist (pelvis). Specifically, the waist frame 40 includes a base 45 that is elongated in the left-right direction and is located on the back side of the wearer's waist, and side portions 46, 46 that protrude forward from both left and right ends of the base 45. ing. The waist frame 40 is provided with a locking tool (not shown) such as a belt or a hook for mooring around the waist of the wearer, and the waist frame 40 is anchored to the waist of the wearer.

(下肢フレーム42)
左右の下肢フレーム42,42はほぼ同一の構成であって、腰部フレーム40の左右中央を対称軸として左右線対称に設けられている。よって、以下では一方(左側)の下肢フレーム42の構造についてのみ詳細に説明し、他方の説明を省略する。下肢フレーム42は、大腿装着部である大腿アーム51と、膝関節近傍に配置される中間アーム52と、下腿装着部である下腿アーム53と、足装着部である足下アーム54とを備えている。大腿アーム51、下腿アーム53および足下アーム54は、装着者の身体へ係留させるためのベルトやフックなどの係止具(図示略)を備えている。
(Lower limb frame 42)
The left and right lower limb frames 42 and 42 have substantially the same configuration, and are provided symmetrically on the left and right lines with the left and right center of the waist frame 40 as the symmetry axis. Therefore, only the structure of one (left side) lower limb frame 42 will be described in detail below, and the description of the other will be omitted. The lower limb frame 42 includes a thigh arm 51 that is a thigh attachment portion, an intermediate arm 52 that is disposed in the vicinity of the knee joint, a crus arm 53 that is a crus attachment portion, and a foot arm 54 that is a foot attachment portion. . The thigh arm 51, the lower leg arm 53, and the lower arm 54 are provided with a locking tool (not shown) such as a belt or a hook for mooring to the wearer's body.

大腿アーム51は、股関節用アクチュエータ61および股関節用ジョイント62を介して腰部フレーム40のサイド部46の前端に接続されている。股関節用アクチュエータ61は、腰部フレーム40のサイド部46の前端部から外方へ突出するように設けられている。股関節用アクチュエータ61は、例えば、モーターと減速歯車で構成されている。図7に詳細に示されるように、股関節用アクチュエータ61の出力軸61aは股関節用ジョイント62の構成要素である第1継手621に固定されており、股関節用アクチュエータ61の駆動により腰部フレーム40に対して第1継手621が矢状面上で回動する。なお、「矢状面上で回動する」とは、矢状面と垂直な軸を中心として、矢状面との平行を維持した状態で回動することをいう。   The thigh arm 51 is connected to the front end of the side portion 46 of the waist frame 40 via a hip joint actuator 61 and a hip joint 62. The hip joint actuator 61 is provided so as to protrude outward from the front end portion of the side portion 46 of the waist frame 40. The hip joint actuator 61 includes, for example, a motor and a reduction gear. As shown in detail in FIG. 7, the output shaft 61 a of the hip joint actuator 61 is fixed to a first joint 621 that is a component of the hip joint 62, and is driven by the hip joint actuator 61 with respect to the waist frame 40. Thus, the first joint 621 rotates on the sagittal plane. Note that “rotate on the sagittal plane” means that the axis rotates around the axis perpendicular to the sagittal plane while maintaining parallelism with the sagittal plane.

股関節用ジョイント62は、第1継手621と、大腿アーム51の上部と接続された第2継手622と、第1継手621と第2継手622とを前額面上で回動可能に連結する枢軸623とを備えている。なお、「前額面上で回動する」とは、前額面と垂直な軸を中心として、前額面との平行を維持した状態で回動することをいう。   The hip joint 62 includes a first joint 621, a second joint 622 connected to the upper portion of the thigh arm 51, and a pivot 623 that rotatably connects the first joint 621 and the second joint 622 on the frontal plane. And. Note that “rotate on the front frame” means to rotate while maintaining parallel to the front frame about an axis perpendicular to the front frame.

大腿アーム51の下端には、連結軸17を介して中間アーム52の上端が回動可能に連結されている。中間アーム52の下端は、連結軸18を介して下腿アーム53の上端と回動可能に連結されている。大腿アーム51の下端に第1歯車21が設けられ、下腿アーム53の上端に第2歯車22が設けられ、これらの噛合する歯車21,22が自由度制限機構23を構成している。このように連結された大腿アーム51、中間アーム52および下腿アーム53は、五節リンク機構10の一部を構成している。大腿アーム51は固定リンク12に、中間アーム52は中間リンク13に、下腿アーム53は出力リンク14にそれぞれ相当する。五節リンク機構10に回転動力を付与する膝関節用アクチュエータ63は、大腿アーム51にブラケット63a等を介して固定されている。膝関節用アクチュエータ63は、例えば、モーターと減速歯車で構成されている。このように膝関節用アクチュエータ63が装着者の膝関節から離れた腰側に配置されることにより、膝関節用アクチュエータ63が装着者の膝関節近傍に配置された構成と比較して、装着者の歩行時に膝関節用アクチュエータ63の重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを低減させることができる。   The upper end of the intermediate arm 52 is rotatably connected to the lower end of the thigh arm 51 via the connecting shaft 17. The lower end of the intermediate arm 52 is rotatably connected to the upper end of the lower leg arm 53 via the connecting shaft 18. The first gear 21 is provided at the lower end of the thigh arm 51, and the second gear 22 is provided at the upper end of the lower leg arm 53, and the meshing gears 21, 22 constitute the degree-of-freedom limiting mechanism 23. The thigh arm 51, the intermediate arm 52, and the crus arm 53 connected in this way constitute a part of the five-bar linkage mechanism 10. The thigh arm 51 corresponds to the fixed link 12, the intermediate arm 52 corresponds to the intermediate link 13, and the crus arm 53 corresponds to the output link 14. The knee joint actuator 63 that applies rotational power to the five-bar linkage mechanism 10 is fixed to the thigh arm 51 via a bracket 63a and the like. The knee joint actuator 63 includes, for example, a motor and a reduction gear. As described above, the knee joint actuator 63 is disposed on the waist side away from the wearer's knee joint, so that the knee joint actuator 63 is disposed in the vicinity of the wearer's knee joint. The moment of inertia applied to the wearer due to the weight of the knee joint actuator 63 during walking can be reduced.

膝関節用アクチュエータ63の出力軸、すなわち、五節リンク機構10への入力軸16には、入力リンク11の一端が固定されている。入力リンク11の他端は、連結軸20を介して媒介リンク15の一端と回動可能に連結されている。媒介リンク15の他端は、連結軸19を介して下腿アーム53と回動可能と連結されている。このように、下肢フレーム42の膝関節部分の周りに五節リンク機構10および膝関節用アクチュエータ63(アクチュエータ9)からなる関節の駆動装置8が設けられている。そして、入力リンク11が膝関節用アクチュエータ63から入力軸16回りの回転駆動力を受けると、図6に示すように、入力リンク11に連結された媒介リンク15を介して下腿アーム53が連結軸18を中心として回転し、中間アーム52が連結軸17を中心として回転する。ここで、自由度制限機構23の作用により、大腿アーム51と中間アーム52の相対変位と中間アーム52と下腿アーム53の相対変位が所定の比率(例えば、1)に拘束されて、入力リンク11の動作に伴って下腿アーム53だけでなく中間アーム52も動作する。 One end of the input link 11 is fixed to the output shaft of the knee joint actuator 63, that is, the input shaft 16 to the five-bar linkage mechanism 10. The other end of the input link 11 is rotatably connected to one end of the intermediate link 15 via the connecting shaft 20. The other end of the intermediate link 15 is connected to the lower leg arm 53 via the connecting shaft 19 so as to be rotatable. As described above, the joint drive device 8 including the five-joint link mechanism 10 and the knee joint actuator 63 (actuator 9) is provided around the knee joint portion of the lower limb frame 42. When the input link 11 receives a rotational driving force around the input shaft 16 from the knee joint actuator 63, the lower leg arm 53 is connected to the connecting shaft via the intermediate link 15 connected to the input link 11, as shown in FIG. The intermediate arm 52 rotates about the connecting shaft 17. Here, due to the action of the degree-of-freedom limiting mechanism 23, the relative displacement between the thigh arm 51 and the intermediate arm 52 and the relative displacement between the intermediate arm 52 and the crus arm 53 are constrained to a predetermined ratio (for example, 1), and the input link 11 In accordance with the operation, not only the lower leg arm 53 but also the intermediate arm 52 operates.

大腿アーム51の長さ(長軸方向の寸法)は装着者の大腿の長さにおおよそ適合するように調整されている。このように調整された大腿アーム51の長さを「大腿アームの基準長さ」ということとする。大腿アームの基準長さは、大腿アーム51の最小長さでもある。大腿アーム51は、大腿アーム51を基準長さから1−30mmだけ並進方向(長軸方向)へ伸長可能とする、第1の並進自由度機構55を備えている。図7にも示すように、第1の並進自由度機構55は、大腿アーム51と股関節用ジョイント62の第2継手622との接続部において、第2継手622から並進方向に延びる接続ピン55aと、大腿アーム51に設けられた接続ピン55aが摺動可能に挿入される接続孔55bと、接続ピン55aに嵌装された圧縮バネ55cとで構成されている。接続ピン55aは接続孔55bよりも長く、接続ピン55aの下端は接続孔55bから下方へ突き抜けており、その下端部に鍔部が形成されている。接続孔55bの開口縁と接続ピン55aの鍔部は並進方向に離間しており、接続ピン55aの接続孔55bの開口縁と接続ピン55aの鍔部の間に圧縮バネ55cが設けられている。接続ピン55aと大腿アーム51とは滑り対偶であって、接続ピン55aと接続孔55bとの間に滑りが生じることにより大腿アーム51が並進方向へ伸長する。さらに、接続ピン55aは接続孔55b内で半径方向(接続ピン55aの軸回り)に回動可能であって、これにより大腿アーム51に回旋自由度(接続ピン55aの軸回りの回転1自由度)が与えられている。なお、大腿アーム51の並進方向への伸長代E1は、第2継手622の下端と大腿アーム51の上端との間に現れる接続ピン55aの長さである。伸長代E1は、第2継手622の下端と大腿アーム51の上端が当接しているときに0であって、伸長代E1が0となるように圧縮バネ55cにより接続ピン55aが付勢されている。そして、大腿アーム51に引張荷重がかかったときに、圧縮バネ55cの付勢力に抗して接続ピン55aが接続孔55b内を移動することによって伸長代E1が増大する。   The length (dimension in the major axis direction) of the thigh arm 51 is adjusted to approximately match the length of the wearer's thigh. The length of the thigh arm 51 adjusted in this way is referred to as the “reference length of the thigh arm”. The reference length of the thigh arm is also the minimum length of the thigh arm 51. The thigh arm 51 includes a first translational degree-of-freedom mechanism 55 that enables the thigh arm 51 to extend in the translation direction (long axis direction) by 1-30 mm from the reference length. As shown in FIG. 7, the first translational degree-of-freedom mechanism 55 includes a connection pin 55 a extending in the translational direction from the second joint 622 at the connection portion between the thigh arm 51 and the second joint 622 of the hip joint 62. The connecting pin 55a provided on the thigh arm 51 is slidably inserted into the connecting hole 55b, and the compression spring 55c is fitted on the connecting pin 55a. The connection pin 55a is longer than the connection hole 55b, the lower end of the connection pin 55a projects downward from the connection hole 55b, and a flange is formed at the lower end. The opening edge of the connection hole 55b and the flange portion of the connection pin 55a are spaced apart in the translational direction, and a compression spring 55c is provided between the opening edge of the connection hole 55b of the connection pin 55a and the flange portion of the connection pin 55a. . The connection pin 55a and the thigh arm 51 are a sliding pair, and the thigh arm 51 extends in the translational direction when a slip occurs between the connection pin 55a and the connection hole 55b. Further, the connection pin 55a can be rotated in the radial direction (around the axis of the connection pin 55a) in the connection hole 55b, thereby allowing the thigh arm 51 to rotate freely (one degree of freedom of rotation around the axis of the connection pin 55a). ) Is given. The extension allowance E1 of the thigh arm 51 in the translation direction is the length of the connection pin 55a that appears between the lower end of the second joint 622 and the upper end of the thigh arm 51. The expansion margin E1 is 0 when the lower end of the second joint 622 and the upper end of the thigh arm 51 are in contact with each other, and the connection pin 55a is urged by the compression spring 55c so that the expansion margin E1 becomes zero. Yes. When a tensile load is applied to the thigh arm 51, the extension pin E1 increases as the connection pin 55a moves in the connection hole 55b against the urging force of the compression spring 55c.

また、下腿アーム53の長さ(長軸方向の寸法)は、装着者の下腿部の長さに適合するように調整されている。このように調整された下腿アーム53の長さを「下腿アームの基準長さ」ということとする。下腿アームの基準長さは、下腿アーム53の最小長さでもある。下腿アーム53は、下腿アーム53を基準長さから1−30mmだけ並進方向(長軸方向)へ伸長可能とする、第2の並進自由度機構57を備えている。図8にも示すように、第2の並進自由度機構57は、下腿アーム53の下端と、後述する足関節用ジョイント64の第1継手641との接続部において、第1継手641に設けられた並進方向に延びる角柱部57aと、下腿アーム53に設けられた角柱部57aが摺動可能に挿入される角筒部57bと、角柱部57aを角筒部57b内へ収容する方向へ付勢する付勢部材としての引張バネ57cとで構成されている。角柱部57aと下腿アーム53とは滑り対偶であって、角柱部57aが角筒部57b内を並進方向に滑ることにより、下腿アーム53は並進方向に伸長する。上記構成において、下腿アーム53の並進方向への伸長代E2は、下腿アーム53の下端と第1継手641の上端との間に現れる角柱部57aの長さである。伸長代E2は、下腿アーム53の下端と第1継手641の上端が当接しているときに0であって、引張バネ57cは伸長代E2が0となるように角柱部57aを付勢している。そして、下腿アーム53に引張荷重がかかったときに、引張バネ57cの付勢力に抗して角柱部57aが角筒部57b内を移動することによって、伸長代E2が増大する。   Further, the length (dimension in the long axis direction) of the lower leg arm 53 is adjusted to match the length of the wearer's lower leg. The length of the lower leg arm 53 adjusted in this way is referred to as “reference length of the lower leg arm”. The reference length of the lower leg arm is also the minimum length of the lower leg arm 53. The crus arm 53 includes a second translational degree-of-freedom mechanism 57 that enables the crus arm 53 to extend in the translational direction (long axis direction) by 1-30 mm from the reference length. As shown in FIG. 8, the second translational freedom degree mechanism 57 is provided in the first joint 641 at a connection portion between the lower end of the crus arm 53 and a first joint 641 of an ankle joint 64 described later. The prism portion 57a extending in the translational direction, the rectangular tube portion 57b into which the rectangular column portion 57a provided on the crus arm 53 is slidably inserted, and the direction in which the rectangular column portion 57a is accommodated in the rectangular tube portion 57b. And a tension spring 57c as an urging member. The rectangular column part 57a and the crus arm 53 are sliding pairs, and the crus arm 53 extends in the translational direction when the prismatic part 57a slides in the translational direction in the rectangular tube part 57b. In the above configuration, the extension E2 in the translational direction of the crus arm 53 is the length of the prism portion 57a that appears between the lower end of the crus arm 53 and the upper end of the first joint 641. The extension E2 is 0 when the lower end of the crus arm 53 and the upper end of the first joint 641 are in contact with each other, and the tension spring 57c urges the prism 57a so that the extension E2 becomes 0. Yes. Then, when a tensile load is applied to the crus arm 53, the extension allowance E2 increases as the prism 57a moves in the rectangular tube 57b against the urging force of the tension spring 57c.

なお、上述のように大腿アーム51と下腿アーム53の基準長さは、それぞれ装着者の大腿と下腿の寸法に適合するように調整されるが、大腿アーム51と下腿アーム53の基準長さにさほどの精度は求められない。大腿アーム51と下腿アーム53が各々並進自由度を備えていることに加え、これらの間に中間アーム52が設けられることによって、多少の寸法誤差が許容される。   As described above, the reference lengths of the thigh arm 51 and the lower leg arm 53 are adjusted so as to match the dimensions of the wearer's thigh and lower leg, respectively. Not much accuracy is required. In addition to the thigh arm 51 and the lower leg arm 53 each having a degree of freedom of translation, the provision of the intermediate arm 52 between them allows a slight dimensional error.

下腿アーム53と足下アーム54とは、足関節用ジョイント64を介して接続されている。足関節用ジョイント64は、下腿アーム53の下端に接続された第1継手641と、足下アーム54の上端に接続された第2継手643と、第1継手641と第2継手643を枢結する枢結軸642とで構成されている。第1継手641は枢結軸642に遊嵌されており、第1継手641は枢結軸642を中心として矢状面上で回動可能であるとともに、前額面上で揺動可能である。第2継手643の下部には、足下アーム54を構成する足裏プレート531が接続されている。足裏プレート531は、少なくとも装着者の踵を覆う一体的な形状を有している。   The lower leg arm 53 and the lower arm 54 are connected via an ankle joint 64. The ankle joint 64 pivots the first joint 641 connected to the lower end of the lower leg arm 53, the second joint 643 connected to the upper end of the lower arm 54, and the first joint 641 and the second joint 643. And a pivot shaft 642. The first joint 641 is loosely fitted to the pivot shaft 642, and the first joint 641 can rotate on the sagittal plane about the pivot shaft 642 and can swing on the frontal plane. A sole plate 531 constituting the foot arm 54 is connected to the lower portion of the second joint 643. The sole plate 531 has an integral shape that covers at least the wearer's heel.

(背部フレーム41)
背部フレーム41は、いわゆる背負子である。背部フレーム41は、装着者の肩や胸に係留させるための脇ベルト、肩紐およびフックなどの係止具(図示略)を備えている。背部フレーム41には、バックパック32が積載される。バックパック32に格納されたバッテリ33は、股関節用アクチュエータ61、膝関節用アクチュエータ63、および制御器34へ電気を供給する。また、バックパック32に格納された制御器34は、装着具31の各部に設けたセンサ(図示略)からの検出信号を受けて、装着具31が装着者の動作を補助又は代行するように股関節用アクチュエータ61および膝関節用アクチュエータ63を制御する。なお、上記センサは、部材の重心の変化量や部材に加わる負荷量などの物理量を検出するセンサであるが、これらに代えて又はこれらに加えて装着者の生体信号を検出する生体信号センサを用いても良い。生体信号センサを用いれば、装着者の意思に従った動力をアクチュエータ61,63に発生させることができる。
(Back frame 41)
The back frame 41 is a so-called backpack. The back frame 41 is provided with a side belt for anchoring to the shoulder and chest of the wearer, a locking device (not shown) such as a shoulder strap and a hook. A backpack 32 is loaded on the back frame 41. The battery 33 stored in the backpack 32 supplies electricity to the hip joint actuator 61, the knee joint actuator 63, and the controller 34. Further, the controller 34 stored in the backpack 32 receives a detection signal from a sensor (not shown) provided in each part of the wearing tool 31 so that the wearing tool 31 assists or substitutes the operation of the wearer. The hip joint actuator 61 and the knee joint actuator 63 are controlled. The sensor is a sensor that detects a physical quantity such as a change in the center of gravity of the member or a load applied to the member. Instead of or in addition to these, a biosignal sensor that detects a wearer's biosignal is used. It may be used. If the biological signal sensor is used, the actuators 61 and 63 can generate power according to the wearer's intention.

上記構成の動作支援装置30において、五節リンク機構10の5つのリンクのリンク長比は、動作支援装置30として最適なトルク伝達比を発揮できるように設定されている。すなわち、リンク長比により、膝関節用アクチュエータ63が一定出力であっても、蹲踞の姿勢時には力強いアシスト力を発揮し且つ直立姿勢時には俊敏なバックドライブを確保できるようなトルク伝達比に調整されている。このようなトルク伝達比は、出力リンク角Qが0−140°の範囲において、出力リンク角Qが増大するに伴って大きくなる特性を有している。また、このようなトルク伝達比は、出力リンク角Qが0−140°の範囲において、出力リンク角Qが0°のときに1未満であり、出力リンク角Qが90°以上で1よりも大きくなる特性を有していることがよい。特に、出力リンク角Qが0°近傍においてトルク伝達比は0に近い小さな値であることが望ましい。これにより、特に強力なアシストが必要となる蹲踞の姿勢において、膝関節用アクチュエータ63から出力リンクである下腿アーム53へ効果的に動力が伝達される。   In the operation support device 30 configured as described above, the link length ratio of the five links of the five-bar link mechanism 10 is set so that the optimum torque transmission ratio can be exhibited as the operation support device 30. That is, the link length ratio is adjusted so that even if the knee joint actuator 63 has a constant output, the torque transmission ratio is such that a strong assist force is exerted in the heel posture and an agile back drive is secured in the upright posture. Yes. Such a torque transmission ratio has a characteristic that the output link angle Q increases as the output link angle Q increases when the output link angle Q is in the range of 0 to 140 °. Further, such torque transmission ratio is less than 1 when the output link angle Q is 0 ° in the range of the output link angle Q of 0-140 °, and is less than 1 when the output link angle Q is 90 ° or more. It is preferable to have a characteristic of increasing. In particular, it is desirable that the torque transmission ratio be a small value close to 0 when the output link angle Q is near 0 °. Thus, power is effectively transmitted from the knee joint actuator 63 to the crus arm 53 as an output link in a heel posture that requires particularly strong assistance.

図9は動作支援装置が備える五節リンク機構のリンク長比とトルク伝達比を説明する図であり、図10は図9に示す五節リンク機構の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。図9および10において、入力軸16と連結軸20の中心間距離は、入力リンク11のリンク長L1である。同様に、入力軸16と連結軸17の中心間距離は、固定リンク12のリンク長L2である。連結軸17と連結軸18の中心間距離は、中間リンク13のリンク長L3である。連結軸18と連結軸19の中心間距離は、出力リンク14のリンク長L4である。そして、連結軸19と連結軸20の中心間距離は、媒介リンク15のリンク長L5である。また、Linは、入力軸16の中心から媒介リンク線HL5に下ろした垂線の長さであり、入力垂線距離Linとする。ここで、媒介リンク線HL5は、連結軸19と連結軸20の中心間を結ぶ仮想直線である。Loutは、第1歯車21と第2歯車22との噛合点P3から媒介リンク線HL5に下ろした垂線の長さであり、出力垂線距離Loutとする。入力垂線距離Linと出力垂線距離Loutは、5つのリンク長L1,L2,L3,L4,L5に依存する値である。そして、出力垂線距離Loutを入力垂線距離Linで除した値が、トルク伝達比(=Lout/Lin)となる。 FIG. 9 is a diagram for explaining the link length ratio and the torque transmission ratio of the five-bar link mechanism provided in the operation support device, and FIG. 10 is a diagram showing a state in which the output link angle of the five-bar link mechanism shown in FIG. 9 is increased. It is. 9 and 10, the distance between the centers of the input shaft 16 and the connecting shaft 20 is the link length L 1 of the input link 11. Similarly, the distance between the centers of the input shaft 16 and the connecting shaft 17 is the link length L2 of the fixed link 12. The distance between the centers of the connecting shaft 17 and the connecting shaft 18 is the link length L3 of the intermediate link 13. The distance between the centers of the connecting shaft 18 and the connecting shaft 19 is the link length L4 of the output link 14. The distance between the centers of the connecting shaft 19 and the connecting shaft 20 is the link length L5 of the intermediate link 15. Further, Lin is the length of a perpendicular drawn from the center of the input shaft 16 to the intermediate link line H L5, and is defined as an input perpendicular distance Lin. Here, the intermediate link line H L5 is an imaginary straight line that connects between the centers of the connecting shaft 19 and the connecting shaft 20. Lout is the length of the perpendicular drawn to the mediating link line H L5 from the engagement point P3 between the first gear 21 and second gear 22, and outputs the perpendicular distance Lout. The input perpendicular distance Lin and the output perpendicular distance Lout are values that depend on the five link lengths L1, L2, L3, L4, and L5. A value obtained by dividing the output normal distance Lout by the input normal distance Lin is the torque transmission ratio (= Lout / Lin).

次に示す数式1および数式2は、動作支援装置30が備える五節リンク機構10が思案点となる条件式である。数式1および数式2を満たさない範囲で五節リンク機構10を設計することにより、動作支援装置30が備える五節リンク機構10が思案点となることを避けることができる。   The following formulas 1 and 2 are conditional expressions for which the five-joint link mechanism 10 included in the motion support device 30 is a pondering point. By designing the five-bar link mechanism 10 within a range not satisfying the mathematical expressions 1 and 2, it is possible to avoid the five-bar link mechanism 10 included in the operation support device 30 from being a wonder point.

Figure 2016026105
Figure 2016026105

Figure 2016026105
Figure 2016026105

数式1と数式2において、QL0およびQLfは固定リンク線HL2と出力リンク線HL4が成す角である。QL0は装着者の膝関節が最も伸びたとき(直立姿勢)の固定リンク線HL2と出力リンク線HL4が成す角であり、QLfは装着者の膝関節が最も曲がったとき(蹲踞の姿勢)の固定リンク線HL2と出力リンク線HL4が成す角である。また、rは1/(1+ny)である。ここでnyは固定リンク12と中間リンク13の相対変位の比率である。本実施形態のように自由度制限機構23として噛み合う歯車21,22を用い、その歯車比が1:1である場合は、ny=1となる。 In Equations 1 and 2, Q L0 and Q Lf are angles formed by the fixed link line H L2 and the output link line H L4 . Q L0 is an angle formed by the fixed link line H L2 and the output link line H L4 when the wearer's knee joint is most extended (upright posture), and Q Lf is when the wearer's knee joint is bent most (蹲踞Angle) formed by the fixed link line H L2 and the output link line H L4 . R is 1 / (1 + ny). Here, ny is the ratio of the relative displacement between the fixed link 12 and the intermediate link 13. When gears 21 and 22 that mesh with each other are used as the degree of freedom limiting mechanism 23 as in the present embodiment and the gear ratio is 1: 1, ny = 1.

数式1と数式2を用いてリンク長比を求める手法を、媒介リンク長L5を決定する場合について具体例(図示しない)を挙げて次に説明する。はじめに、媒介リンク長L5以外のリンク長(L1,L2,L3,L4)が装着者の身体寸法に合わせて定められる。例えば、入力リンク長L1=60mm,固定リンク長L2=210mm,中間リンク長L3=40mm,出力リンク長L4=50mmである。そして、動作支援装置30の構成に合わせてny,QL0,QLfの各値が定められる。例えば、ny=1,QL0=0°,QLf=140°である。これらの各数値条件を数式1および数式2に代入して、媒介リンク長L5を求める。すると、数式1では媒介リンク長L5=240mmと算出され、数式2では媒介リンク長L5=258mmと算出される。このように数式1および数式2を用いて算出された媒介リンク長L5の下限より大きく且つ上限より小さい値のなかから、媒介リンク長L5となる値が選択される。ここでは、例えば、数式1の解と数式2の解との間を取って、媒介リンク長L5=250mmが選択される。以上のようにして求められたリンク長比(入力リンク長L1=60mm,固定リンク長L2=210mm,中間リンク長L3=40mm,出力リンク長L4=50mm,媒介リンク長L5=250mm)のトルク伝達比は表1に示す通りである。 A method for obtaining the link length ratio using Equations 1 and 2 will be described below with reference to a specific example (not shown) in the case of determining the intermediate link length L5. First, link lengths (L1, L2, L3, L4) other than the intermediate link length L5 are determined in accordance with the wearer's body dimensions. For example, the input link length L1 = 60 mm, the fixed link length L2 = 210 mm, the intermediate link length L3 = 40 mm, and the output link length L4 = 50 mm. Then, the values of ny, Q L0 , and Q Lf are determined according to the configuration of the operation support device 30. For example, ny = 1, Q L0 = 0 °, and Q Lf = 140 °. By substituting these numerical conditions into Equation 1 and Equation 2, the intermediate link length L5 is obtained. Then, in Formula 1, the mediation link length L5 = 240 mm is calculated, and in Formula 2, the mediation link length L5 = 258 mm. As described above, a value that is the intermediate link length L5 is selected from the values that are larger than the lower limit and smaller than the upper limit of the intermediate link length L5 calculated by using Equations 1 and 2. Here, for example, the intermediate link length L5 = 250 mm is selected between the solution of Equation 1 and the solution of Equation 2. Torque transmission with the link length ratio (input link length L1 = 60 mm, fixed link length L2 = 210 mm, intermediate link length L3 = 40 mm, output link length L4 = 50 mm, intermediate link length L5 = 250 mm) obtained as described above. The ratio is as shown in Table 1.

Figure 2016026105
Figure 2016026105

表1に示すトルク伝達比の出力リンク角に対する変化では、出力リンク角が0°のときにトルク伝達比が0に近い十分に小さな値であり、出力リンク角が90°以上ではトルク伝達比は1より大きい。そして、トルク伝達比は、出力リンク角の増大に伴って増大しており、表1に示す最大の出力リンク角(140°)で最大値となっている。このように、上記手法により定められたリンク長比により、動作支援装置30が備える五節リンク機構10のトルク伝達比は動作支援装置30として好適な設定となる。   In the change of the torque transmission ratio with respect to the output link angle shown in Table 1, the torque transmission ratio is a sufficiently small value close to 0 when the output link angle is 0 °, and when the output link angle is 90 ° or more, the torque transmission ratio is Greater than 1. The torque transmission ratio increases with an increase in the output link angle, and has a maximum value at the maximum output link angle (140 °) shown in Table 1. Thus, the torque transmission ratio of the five-bar link mechanism 10 included in the motion support device 30 is set to be suitable for the motion support device 30 based on the link length ratio determined by the above method.

以上説明した本実施の形態に係る動作支援装置30は、五節リンク機構10を具備する関節の駆動装置8を備えることにより、下腿アーム53(出力リンク14)の広い動作範囲(例えば、出力リンク角Qが0−140°の範囲)にわたって、大腿アーム51と下腿アーム53が同一平面内に配置されてもこれらのアーム51,53が干渉せず且つ思案点とならない。よって、上記下腿アーム53の広い動作範囲にわたって、下腿アーム53へ安定してトルクが伝達されることとなる。これにより、動作支援装置30は、人間の膝関節の0−140°という広い動作範囲に対応することができる。 The motion support device 30 according to the present embodiment described above includes the joint drive device 8 including the five-bar linkage mechanism 10, thereby enabling a wide motion range (for example, output link) of the crus arm 53 (output link 14). Even if the thigh arm 51 and the crus arm 53 are arranged in the same plane over an angle Q in the range of 0 to 140 °, the arms 51 and 53 do not interfere with each other and do not become a thought point. Therefore, torque is stably transmitted to the lower leg arm 53 over the wide operating range of the lower leg arm 53. Thereby, the movement support apparatus 30 can respond to a wide movement range of 0-140 ° of the human knee joint.

さらに、本実施の形態に係る動作支援装置30は、関節の駆動装置8を備えることにより、上記広い動作範囲を確保しつつ、より小型化することができる。具体的には、下腿アーム53と大腿アーム51がほぼ同じ矢状面上に配置されることにより、下肢フレーム42の左右方向の厚みの増加が抑制されている。これに加えて、装着者の直立姿勢時に、矢状面視(図5)において、大腿アーム51の上端P1と、下腿アーム53の下端P2と、大腿アーム51と中間アーム52の連結軸17とが略同一直線上に配置されることにより、下肢フレーム42の前後方向の厚みの増加が抑制されている。なお、図5において、大腿アーム51の上端P1は、腰部フレーム40と下肢フレーム42との接続部を指している。 Furthermore, the motion support device 30 according to the present embodiment includes the joint drive device 8 and can be further downsized while ensuring the wide motion range. Specifically, the increase in the thickness of the lower limb frame 42 in the left-right direction is suppressed by arranging the lower leg arm 53 and the upper leg arm 51 on substantially the same sagittal plane. In addition, the upper end P1 of the thigh arm 51, the lower end P2 of the crus arm 53, and the connecting shaft 17 of the thigh arm 51 and the intermediate arm 52 in the sagittal view (FIG. 5) when the wearer is standing upright. Are arranged on substantially the same straight line, an increase in the thickness of the lower limb frame 42 in the front-rear direction is suppressed. In FIG. 5, the upper end P <b> 1 of the thigh arm 51 indicates a connection portion between the waist frame 40 and the lower limb frame 42.

図5に示すように、大腿アーム51の上端P1は装着者の股関節の側方に位置し、下腿アーム53の下端P2は装着者の踝の側方に位置している。矢状面視において、これらの点(P1とP2)を結ぶ直線は装着者の膝関節よりも背面側を通っており、この直線上に連結軸17および連結軸18がおよそ位置している。このように連結軸17,18が配置されることによって、大腿アーム51、中間アーム52および下腿アーム53により成る下肢フレーム42の基本部分がおおよそ直線形状を成すこととなる。このように下肢フレーム42の基本部分がおおよそ直線形状を成すことで、下肢フレーム42の膝関節部分(中間アーム52)よりも上方に位置する荷重を下肢フレーム42の基本部分に受動的に支持させることができる。そして、上述のように直線状に並んだ大腿アーム51、中間アーム52および下腿アーム53に沿うように入力リンク11および媒介リンク15を形成することが可能である。さらに、出力リンク角が増大した状態において、入力リンク11および媒介リンク15を大腿アーム51に沿わせるように形成することが可能である。このように五節リンク機構10が形成された結果、直立姿勢と蹲踞の姿勢の両方において、下肢フレーム42およびその一部が装着者の前方又は後方へ大きく突出することがなく、下肢フレーム42は装着者の下肢に沿ったコンパクトなものとなる。   As shown in FIG. 5, the upper end P1 of the thigh arm 51 is located on the side of the wearer's hip joint, and the lower end P2 of the lower leg arm 53 is located on the side of the wearer's heel. In the sagittal view, a straight line connecting these points (P1 and P2) passes through the back side of the knee joint of the wearer, and the connecting shaft 17 and the connecting shaft 18 are approximately located on this straight line. By arranging the connecting shafts 17 and 18 in this way, the basic portion of the lower limb frame 42 composed of the thigh arm 51, the intermediate arm 52, and the lower leg arm 53 has a substantially linear shape. In this way, the basic portion of the lower limb frame 42 has a substantially linear shape, so that the load positioned above the knee joint portion (intermediate arm 52) of the lower limb frame 42 is passively supported by the basic portion of the lower limb frame 42. be able to. Then, it is possible to form the input link 11 and the intermediate link 15 along the thigh arm 51, the intermediate arm 52, and the crus arm 53 that are arranged in a straight line as described above. Furthermore, it is possible to form the input link 11 and the intermediate link 15 along the thigh arm 51 in a state where the output link angle is increased. As a result of forming the five-bar link mechanism 10 in this way, the lower limb frame 42 and a part thereof do not protrude greatly forward or backward of the wearer in both the upright posture and the heel posture, and the lower limb frame 42 It becomes compact along the wearer's lower limbs.

なお、大腿アームと下腿アームとを膝関節軸で連結して成る従来の動作支援装置において、膝関節軸を装着者の膝関節よりも背面側に配置した場合、装着者が膝を屈曲させるに従って、膝関節軸が配置される装着者の身体の部位から装着者の踝までの距離が減少する。この距離の変化は、装着者の身体と装着具とのズレ等の問題を引き起こす。これに対し、本実施形態に係る動作支援装置30では上記問題が回避又は軽減されている。図5に示すように、装着者が直立姿勢のときに、矢状面視において、連結軸18、歯車21,22の噛合点P3および下腿アーム53の下端P2がほぼ一直線上に並んでいる。そして、図6に示すように、装着者が膝を屈曲させるに従って、歯車21,22の噛合点P3と下腿アーム53の下端P2とを結ぶ直線から連結軸18が離れるため、歯車21,22の噛合点P3と下腿アーム53の下端P2とを結ぶ線分の長さが減少する。つまり、装着者が膝を屈曲させるときに、歯車21,22の噛合点P3が配置される装着者の身体の部位から装着者の踝までの距離の減少に伴って、歯車21,22の噛合点P3と下腿アーム53の下端P2とを結ぶ線分の長さも減少するので、装着者の身体と装着具とのズレが回避又は軽減される。   In addition, in a conventional motion support device in which a thigh arm and a lower leg arm are connected by a knee joint axis, when the knee joint axis is arranged on the back side of the wearer's knee joint, the wearer bends the knee. The distance from the body part of the wearer where the knee joint axis is arranged to the wearer's heel decreases. This change in distance causes problems such as a deviation between the wearer's body and the wearing tool. On the other hand, in the operation support apparatus 30 according to the present embodiment, the above problem is avoided or reduced. As shown in FIG. 5, when the wearer is in an upright posture, the connecting shaft 18, the meshing point P <b> 3 of the gears 21 and 22, and the lower end P <b> 2 of the crus arm 53 are aligned substantially in a straight line. As shown in FIG. 6, as the wearer flexes the knee, the connecting shaft 18 moves away from the straight line connecting the meshing point P3 of the gears 21 and 22 and the lower end P2 of the crus arm 53. The length of the line segment connecting the meshing point P3 and the lower end P2 of the lower leg arm 53 decreases. That is, when the wearer bends the knee, the meshing of the gears 21 and 22 is reduced as the distance from the body part of the wearer where the meshing point P3 of the gears 21 and 22 is disposed to the wearer's heel is decreased. Since the length of the line segment connecting the point P3 and the lower end P2 of the crus arm 53 is also reduced, the displacement between the wearer's body and the wearing tool is avoided or reduced.

なお、本実施の形態に係る動作支援装置30の装着具31では、大腿アーム51および下腿アーム53のそれぞれに、装着者の身体に係留させるための係止具と、並進自由度機構(第1の並進自由度機構55と第2の並進自由度機構57)とを設けている。但し、装着具31を大腿アーム51および下腿アーム53のいずれか一方に並進自由度機構を備え、他方を装着者の身体に係留させる構成であってもよい。いずれの装着具31にせよ、装着者の骨格構造に対する大腿アーム51と下腿アーム53の長尺方向寸法の厳格な調整を不要としながらも、装着者にとって違和感の少ない下肢の動きを提供することができる。図11は、装着型動作支援装置の大腿フレームを係止具で装着者の大腿部に係留させた状態を示す図であり、(a)は直立姿勢の様子を示す図、(b)は蹲踞の姿勢時の様子を示す図である。図11(a)(b)に示すように、大腿アーム51を係止具75により装着者の大腿に係留させ且つ足下アーム54を係止具76により装着者の足に係留させる場合には、下腿アーム53に第2の並進自由度機構57を備えれば足りる。このような装着形態は、装着者の歩行を支援するために利用される動作支援装置30に適している。また、中間アーム52を係止具により装着者の下腿部に係留させ且つ足下アーム54を係止具により装着者の足に係留させる場合には、大腿アーム51に第1の並進自由度機構55を備えれば足りる。このような装着形態は、装着者の荷役を支援するために利用される動作支援装置30に適している。   In addition, in the wearing tool 31 of the motion support device 30 according to the present embodiment, the thigh arm 51 and the lower thigh arm 53 are locked to the wearer's body and a translational freedom degree mechanism (first Are provided with a translational freedom degree mechanism 55 and a second translational degree of freedom mechanism 57). However, the configuration may be such that the wearing tool 31 is provided with a translational degree-of-freedom mechanism on one of the thigh arm 51 and the lower leg arm 53 and the other is moored on the wearer's body. Regardless of the wearing device 31, it is possible to provide the movement of the lower limb with less discomfort for the wearer while eliminating the need for strict adjustment of the longitudinal dimensions of the thigh arm 51 and the lower leg arm 53 with respect to the skeleton structure of the wearer. it can. FIG. 11 is a view showing a state in which the thigh frame of the wearable motion support device is moored to the wearer's thigh with a locking tool, (a) is a view showing the upright posture, and (b) is a view. It is a figure which shows the mode at the time of the posture of a heel. As shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), when the thigh arm 51 is moored to the wearer's thigh by the locking device 75 and the foot arm 54 is moored to the wearer's foot by the locking device 76, It is sufficient if the lower leg arm 53 is provided with the second translational freedom degree mechanism 57. Such a wearing form is suitable for the motion support apparatus 30 used to support the wearer's walking. Further, when the intermediate arm 52 is anchored to the wearer's lower leg by the locking tool and the foot arm 54 is moored to the wearer's foot by the locking tool, the first translational degree of freedom mechanism is added to the thigh arm 51. 55 is enough. Such a mounting form is suitable for the operation support apparatus 30 used to support the load handling of the wearer.

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。   The preferred embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes can be made as long as they are described in the claims. is there.

例えば、本発明に係る関節の駆動装置8は、上述の下半身外骨格形状を有する装着型動作支援装置30に限らず、他の装着型動作支援装置にも適用することができる。例えば、装着型動作支援装置は、装着者の膝の屈伸のみを支援するものであってもよい。この場合の動作支援装置の装着具は、大腿装着部(固定リンク12)、膝関節部(中間リンク13)、下腿装着部(出力リンク14)、入力リンク11および媒介リンク15から成る1自由度五節リンク機構10と、入力リンク11へ動力を付与するアクチュエータ9とを含む関節の駆動装置8を備えることとなる。また、例えば、装着型動作支援装置は、装着者の肘の屈伸を支援するものであってもよい。この場合の動作支援装置の装着具は、上腕装着部(固定リンク12)、肘関節部(中間リンク13)、下腕装着部(出力リンク14)、入力リンク11および媒介リンク15から成る1自由度五節リンク機構10と、入力リンク11へ動力を付与するアクチュエータ9とを含む関節の駆動装置8を備えることとなる。 For example, the joint drive device 8 according to the present invention is not limited to the wearable motion support device 30 having the lower body exoskeleton shape described above, but can be applied to other wearable motion support devices. For example, the wearable movement support device may support only the bending and stretching of the wearer's knee. In this case, the wearing tool of the motion support device includes a thigh attachment part (fixed link 12), a knee joint part (intermediate link 13), a crus attachment part (output link 14), an input link 11, and an intermediate link 15. The joint drive device 8 including the five-bar linkage mechanism 10 and the actuator 9 for applying power to the input link 11 is provided. Further, for example, the wearable movement support device may support bending and stretching of the wearer's elbow. In this case, the wearing tool of the motion support apparatus is a free one comprising an upper arm wearing part (fixed link 12), an elbow joint part (intermediate link 13), a lower arm wearing part (output link 14), an input link 11 and an intermediate link 15. A joint drive device 8 including a five-joint link mechanism 10 and an actuator 9 for applying power to the input link 11 is provided.

さらに、関節の駆動装置8は装着型動作支援装置以外にも、屈曲するアームを備えたあらゆる装置や機械に適用させることができる。図12は本発明に係る駆動装置を作業用車両のアームに適用させた例を示す図であって、(a)はアームを下げた図であり、(b)はアームを上げた図である。図12(a)(b)では、作業用車両であるブルドーザーが備えるアームに、駆動装置8を適用させている。具体的には、ブルドーザーのアームが、入力リンク11、固定リンク12、中間リンク13、出力リンク14および媒介リンク15の5つのリンクが順次回転可能に連結されてなる1自由度五節リンク機構10で構成されている。そして、アクチュエータ9により入力リンク11へ回転駆動力が与えられることにより、ブルドーザーのアームを昇降させることができる。 Furthermore, the joint drive device 8 can be applied to any device or machine having a bending arm in addition to the wearable motion support device. FIG. 12 is a view showing an example in which the drive device according to the present invention is applied to an arm of a work vehicle, in which (a) is a view in which the arm is lowered, and (b) is a view in which the arm is raised. . 12 (a) and 12 (b), the drive device 8 is applied to an arm provided in a bulldozer that is a work vehicle. Specifically, the bulldozer arm has a one-degree-of-freedom five-joint link mechanism 10 in which five links of an input link 11, a fixed link 12, an intermediate link 13, an output link 14, and an intermediate link 15 are connected so as to be sequentially rotatable. It consists of The actuator 9 can move the bulldozer arm up and down by applying a rotational driving force to the input link 11.

また、図13は本発明に係る駆動装置を産業用ロボットのアームに適用させた例を示す図であって、(a)はアームを下げた図であり、(b)はアームを上げた図である。図13(a)(b)では、産業用ロボットのアームに、駆動装置8を適用させている。具体的には、産業用ロボットのアームが、入力リンク11、固定リンク12、中間リンク13、出力リンク14および媒介リンク15の5つのリンクが順次回転可能に連結されてなる1自由度五節リンク機構10で構成されている。そして、アクチュエータ9により入力リンク11へ回転駆動力が与えられることにより、産業用ロボットのアームを屈伸させることができる。   FIG. 13 is a view showing an example in which the drive device according to the present invention is applied to an arm of an industrial robot, where (a) is a view in which the arm is lowered, and (b) is a view in which the arm is raised. It is. 13A and 13B, the drive device 8 is applied to the arm of an industrial robot. Specifically, the arm of an industrial robot is a one-degree-of-freedom five-joint link in which five links of an input link 11, a fixed link 12, an intermediate link 13, an output link 14, and an intermediate link 15 are sequentially connected to be rotatable. The mechanism 10 is configured. Then, by applying a rotational driving force to the input link 11 by the actuator 9, the arm of the industrial robot can be bent and stretched.

本発明に係る関節の駆動装置は、屈曲する関節を備えたあらゆる装置や機械において、四節平行リンク機構を備える場合と比較して広い可動範囲を確保しつつ更なる小型化を図るために有用である。 The joint drive device according to the present invention is useful for further downsizing in any device or machine having a bending joint, while ensuring a wide movable range as compared with a case where a four-bar parallel link mechanism is provided. It is.

8 駆動装置
9 アクチュエータ
10 五節リンク機構
11 入力リンク
12 固定リンク
13 中間リンク
14 出力リンク
15 媒介リンク
16 入力軸
17,18,19,20 連結軸
21,22 歯車
23 自由度制限機構
30 動作支援装置
31 装着具
32 バックパック
33 バッテリ
34 制御器
40 腰部フレーム
41 背部フレーム
42 下肢フレーム
51 大腿アーム
52 中間アーム
53 下腿アーム
54 足下アーム
63 膝関節用アクチュエータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 Drive apparatus 9 Actuator 10 Five-bar link mechanism 11 Input link 12 Fixed link 13 Intermediate link 14 Output link 15 Intermediary link 16 Input shaft 17, 18, 19, 20 Connection shaft 21, 22 Gear 23 Degree of freedom restriction mechanism 30 Operation support device DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 Wearing tool 32 Backpack 33 Battery 34 Controller 40 Lumbar frame 41 Back frame 42 Lower limb frame 51 Thigh arm 52 Middle arm 53 Lower leg arm 54 Lower leg arm 63 Knee joint actuator

Claims (9)

入力リンク、固定リンク、中間リンク、出力リンクおよび媒介リンクの5つのリンクが順次回転可能に連結されて成る五節リンク機構と、
前記固定リンクと前記中間リンクの相対変位と前記中間リンクと前記出力リンクの相対変位を所定の比率に拘束することにより前記五節リンク機構の自由度を1に制限する自由度制限機構と、
前記入力リンクに対し前記固定リンクとの連結部回りの回転駆動力を与えるアクチュエータとを備えている、駆動装置。
A five-bar linkage mechanism in which five links of an input link, a fixed link, an intermediate link, an output link, and an intermediate link are sequentially connected to each other, and
A degree-of-freedom limiting mechanism that limits the degree of freedom of the five-bar linkage mechanism to 1 by constraining the relative displacement of the fixed link and the intermediate link and the relative displacement of the intermediate link and the output link to a predetermined ratio;
An actuator that applies a rotational driving force around a connecting portion with the fixed link to the input link;
前記自由度制限機構は、前記固定リンクと前記出力リンクの各々に設けられた噛合し合う歯車である、請求項1に記載の駆動装置。   The drive device according to claim 1, wherein the degree-of-freedom limiting mechanism is a meshing gear provided in each of the fixed link and the output link. 装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、
前記装着者の大腿に装着される大腿装着部および前記装着者の下腿に装着される下腿装着部を少なくとも有する下肢フレームと、
前記下肢フレームに設けられた請求項1又は請求項2に記載の駆動装置とを備え、
前記大腿装着部に前記固定リンクが設けられ、前記下腿装着部に前記出力リンクが設けられ、前記大腿装着部に前記アクチュエータが設けられている、装着型動作支援装置。
A wearable movement support device for assisting or acting on the wearer's muscle strength,
A lower limb frame having at least a thigh attachment part attached to the thigh of the wearer and a lower leg attachment part attached to the lower leg of the wearer;
The drive device according to claim 1 or 2 provided on the lower limb frame,
The wearable motion support device, wherein the thigh mounting portion is provided with the fixed link, the crus mounting portion is provided with the output link, and the thigh mounting portion is provided with the actuator.
前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が0°から140°までの範囲において、前記出力リンクの角度の増大に伴ってトルク伝達比が増大する関係を有している、請求項3に記載の装着型動作支援装置。   The link length ratio of the input link, the fixed link, the intermediate link, the output link, and the intermediate link is such that the output link relative to the fixed link is in the range of 0 ° to 140 °. The wearable motion support apparatus according to claim 3, wherein the torque transmission ratio increases as the angle increases. 前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が0°から140°までの範囲において、0°のときにトルク伝達比が1より小さく、90°以上でトルク伝達比が1以上となる関係を有している、請求項3又は4に記載の装着型動作支援装置。   The link length ratio of the input link, the fixed link, the intermediate link, the output link, and the intermediate link is 0 ° when the angle of the output link relative to the fixed link is 0 ° to 140 °. The wearable motion support device according to claim 3 or 4, wherein the torque transmission ratio is sometimes smaller than 1, and the torque transmission ratio is 1 or more at 90 ° or more. 前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、
前記大腿装着部は前記装着者の大腿に係留するための係止具を有し、
前記下腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し、
前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有している、請求項3から5のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
The lower limb frame includes a foot attachment portion attached to the wearer's foot,
The thigh mounting portion has a locking tool for mooring to the wearer's thigh,
The lower leg mounting part has a degree of freedom of translation that can be extended in the translation direction,
The wearing type movement support device according to any one of claims 3 to 5, wherein the foot wearing unit includes a locking tool for mooring the foot of the wearer.
前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、
前記大腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し
前記下腿装着部は前記装着者の下腿に係留するための係止具を有し、
前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有している、請求項3から5のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
The lower limb frame includes a foot attachment portion attached to the wearer's foot,
The thigh mounting portion has a translational degree of freedom that can be extended in the translation direction, and the crus mounting portion has a locking tool for mooring to the wearer's crus;
The wearing type movement support device according to any one of claims 3 to 5, wherein the foot wearing unit includes a locking tool for mooring the foot of the wearer.
前記固定リンクと前記出力リンクが同じ矢状面上に配置されている、請求項3から7のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。   The wearable motion support apparatus according to any one of claims 3 to 7, wherein the fixed link and the output link are arranged on the same sagittal plane. 装着者の直立姿勢時に、前記大腿装着部の上端と、前記下腿装着部の下端と、前記固定リンクと前記中間リンクの連結部とが、矢状面視において略同一直線上に配置されている、請求項3から8のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。   When the wearer is in an upright posture, the upper end of the thigh mounting portion, the lower end of the crus mounting portion, and the connecting portion of the fixed link and the intermediate link are arranged on substantially the same straight line in a sagittal view. The wearable motion support apparatus according to any one of claims 3 to 8.
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