JP2017113304A - 揺動関節装置 - Google Patents
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Abstract
Description
揺動関節装置1は、ユーザの片脚、あるいはユーザの両脚、に取り付けられて、例えば、ユーザの歩行または走行等の動作を支援する。以下、ユーザの左脚に揺動関節装置1を取り付けた例で説明する。図1に示すように、揺動関節装置1は、符号2、3、4、5、6等にて示したユーザ装着部と、符号13、19等にて示した大腿揺動部と、符号21、22、23、24、25等にて示した剛性調整部と、符号35、39等にて示した下腿揺動部と、にて構成されている。なお、図1は揺動関節装置1の各構成要素の形状と組み付け位置等を示す分解斜視図であり、各構成要素を組み付けた状態の揺動関節装置1を図2に示す。また図3は揺動関節装置1をユーザに装着した状態を説明しており、図4は大腿揺動アーム13及び下腿アーム35の揺動の例を示している。
ベース部2は、腰装着部3に固定され、前記大腿揺動部、前記剛性調整部、前記下腿揺動部を保持するためのベース(基板)となる部材である。またベース部2には、揺動関節装置1を装着したユーザの股関節の側方に相当する位置に、Y軸にほぼ平行に延びる駆動軸部材6が取り付けられている。なお、駆動軸部材6は、大腿揺動アーム13の貫通孔13Hに挿通される。なお駆動軸線6Jは、駆動軸部材6の中心軸線(揺動中心軸線)を示している。
大腿揺動アーム13は、円板部13Gと、円板部13Gから下方に延びるアーム部にて構成されている。そして円板部13Gの中心には貫通孔13Hが形成されており、貫通孔13Hには駆動軸部材6が挿通される。従って、大腿揺動アーム13は、駆動軸部材6回りに揺動自在に支持される。また大腿揺動アーム13の貫通孔13Hは、ユーザの股関節の側方に相当する位置に配置され、大腿揺動アーム13の下端に設けられたリンク孔13Lは、ユーザのひざ関節の側方に相当する位置に配置される。なお、大腿揺動アーム13の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、ユーザは、自身のひざ関節の位置に応じて、リンク孔13Lの上下方向の位置を調整可能である。
下腿アーム35には、大腿揺動アーム13の下端のリンク孔13Lと接続するためのリンク孔35Lが形成されている。なお、下腿アーム35の下方に延びる長さはユーザの下腿に合うように調整可能に構成されている。また下腿アーム35には、下腿装着部39が取り付けられ、下腿装着部39は、ユーザの下腿(ふくらはぎの周囲)にあてがわれ、ユーザの下腿部へ下腿アーム35を装着することを容易にする。また下腿アーム35には、大腿揺動アーム13に対する下腿アーム35の揺動角度である第2揺動角度を検出することが可能な第2角度検出手段35S(例えばエンコーダ)が設けられている。
次に図4を用いて、ユーザの大腿部UL1に装着された大腿揺動アーム13の動作と、ユーザの下腿部UL2に装着された下腿アーム35の動作を説明する。なお、図4において実線にて示す大腿揺動アーム13、下腿アーム35、の位置を、各アームの初期位置(ユーザが直立状態で静止した位置)とする。
ブラケット22は、ベース部2に対して、電動モータ21を固定する部材であり、電動モータ21の回転軸を挿通するための貫通孔22Hが設けられて、ベース部2に固定される。また、図1、図6に示すように、大腿揺動アーム13の円板部13Gの貫通孔13H、変速機25のシャフト25A、ゼンマイバネ24の中心軸、剛性調整部材23の貫通孔23H、ブラケット22の貫通孔22H、電動モータ21の出力軸21D、は駆動軸線6Jと同軸に配置されている。
図8は、図3に示すユーザT(利用者)が直立状態であり、大腿揺動アーム13の揺動角度がゼロの場合の例であって、ゼンマイバネ24の付勢トルクがゼロの場合の例を示している。そして図8の例におけるゼンマイバネ24の固定端24Aの位置では、自由端24Bには、駆動軸線6J回りの時計回り方向の付勢トルクも、駆動軸線6J回りの『反』時計回り方向の付勢トルクも、発生していない状態の例を示している。そして図8に示す基準線Jsは、大腿揺動アーム13の揺動角度がゼロの際に、自由端24Bに付勢トルクが発生しないように固定端24Aの位置を調整した場合(剛性調整部材23の旋回角度を調整した場合)において、駆動軸線6Jとバネ自由端挿通溝25Bとを通る仮想直線であり、シャフト25Aの基準旋回角度位置を示している。また、この図8の例に示す固定端24A(バネ支持体23J)の位置を、ゼンマイバネ24の固定端24A(バネ支持体23J)の基準位置とする。なお図8の例は、説明を容易にするために、大腿揺動アーム13の揺動角度がゼロの場合に、基準線Jsが鉛直方向であり、且つ基準線Js上に固定端24Aがある場合の例を示している。
次に図12を用いて、制御手段50の入出力について説明する。制御ユニット5には、制御手段50及びバッテリ60が収容されている。また制御ユニット5は、起動スイッチ54、入出力手段であるタッチパネル55、バッテリ60への充電用コネクタ61等が設けられている。また制御手段50(制御装置)は、CPU50A、モータドライバ52等を有している。なお、制御手段50の処理を実行させるためのプログラムや各種の計測結果等を記憶する記憶装置も備えているが、図示省略する。
次に、図13〜図15を用いて、大腿揺動アーム13を含めたユーザの下肢である運動体(大腿揺動アーム13+大腿部UL1+下腿部UL2(図4参照))にかかる重力の影響を考慮した、第1の実施の形態における制御手段の処理手順の例について説明する。なお、第1の実施の形態における揺動関節装置は、図1〜図4に示す構成において下腿アーム35を、特に必要としない。下腿アーム35を省略した場合は、下記の運動体の質量m1を、「大腿揺動アーム13+大腿部UL1+下腿部UL2の質量」とすればよい。下腿アーム35を省略しない場合は、下記の運動体の質量m1を、「大腿揺動アーム13+大腿部UL1+下腿アーム35+下腿部UL2の質量」とすればよい。
次に図13に示すフローチャートを用いて、制御手段50の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動スイッチを操作すると、制御手段はステップS110に進む。
以下、下記のように定義して説明する。なお、例えば下記のlg、J1、m1は、入力されたユーザの身長、体重等に基づいて制御手段50が推定する。また、c1、k1、n、ηは予め制御手段50に設定されている。
τ:図14に示す駆動軸線6J回りの駆動トルク[Nm]
τ1:電動モータ21のモータトルク[Nm]
J1:運動体の慣性モーメント[kgm2]
c1:運動体の粘性係数[Nms/rad]
k:運動体から見たゼンマイバネ24の見かけ上の剛性(バネ定数)[Nm/rad]
k1:ゼンマイバネ24のもともとのバネ定数[Nm/rad]
m1:運動体の質量[kg]
g:重力加速度[m/s2]
lg:揺動中心である駆動軸線6Jから運動体の重心ULgまでの距離[m]
θ:運動体の揺動角度(大腿揺動アーム13の変位角)[rad]
|θ|:運動体の変位角の振幅[rad]
θ´:ゼンマイバネ24のねじり量[rad]
θ1:電動モータ21の回転角度(剛性調整部材23の回転角度)[rad]
ω:運動体の角周波数[rad/s]
t:時間[s]
n:変速機25の減速比[−]
η:変速機25の効率[−]
|θ|=a/(dω) (式2−2)
a=|θ|c1ω (式2−3)
τ=kθ (式4)
τ=ηnτ1 (式5)
τ1=k1θ´ (式6)
θ´=nθ−θ1 (式7)
τ1=k1(nθ−θ1) (式8)
τ=ηnk1(nθ−θ1)=ηn2k1[1−θ1/(nθ)]θ (式5−1)
k=ηn2k1[1−θ1/(nθ)] (式9−1)
θ1=nθ[1−k/(ηn2k1)] (式9−2)
次に、図16〜図19を用いて、大腿揺動アーム13を含めたユーザの下肢である運動体(大腿揺動アーム13+大腿部UL1+下腿アーム35+下腿部UL2(図4参照))にかかる重力の影響と慣性モーメントの変化の影響を考慮した、第2の実施の形態における制御手段の処理手順の例について説明する。なお、第2の実施の形態における揺動関節装置は、図1に示す構成において大腿揺動アーム13と下腿アーム35が必須であり、下記の運動体は、「大腿揺動アーム13+大腿部UL1+下腿アーム35+下腿部UL2」である。また、下記の大腿部質量mupは、「大腿揺動アーム13+大腿部UL1の質量」であり、下腿部質量munは、「下腿アーム35+下腿部UL2の質量」である。
次に図16に示すフローチャートを用いて、制御手段50の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動スイッチを操作すると、制御手段はステップS210に進む。
以下、下記のように定義して説明する。なお、例えば下記のlg、lup、lun、lgup、lgun、m1、mup、munは、入力されたユーザの身長、体重等に基づいて制御手段50が推定する。また、c1、k1、n、ηは予め制御手段50に設定されている。
τ:図17に示す揺動中心回りの駆動トルク[Nm]
τ1:電動モータ21のモータトルク[Nm]
J1:運動体の慣性モーメント[kgm2]
c1:運動体の粘性係数[Nms/rad]
k:運動体から見たゼンマイバネ24の見かけ上の剛性(バネ定数)[Nm/rad]
k1:ゼンマイバネ24のもともとのバネ定数[Nm/rad]
m1:運動体(ユーザの大腿部+大腿揺動アーム+ユーザの下腿部+下腿アーム)の質量(=mup+mun)[kg]
mup:「ユーザの大腿部+大腿揺動アーム」の質量[kg]
mun:「ユーザの下腿部+下腿アーム」の質量[kg]
g:重力加速度[m/s2]
lg:揺動中心から運動体全体の重心までの距離[m]
lup:揺動中心から膝関節(大腿揺動アームと下腿アームとの接続部)までの距離[m]
lun:膝関節から下腿部の下端までの距離[m]
lgup:揺動中心から「ユーザの大腿部+大腿揺動アーム」の重心までの距離[m]
lgun:膝関節から「ユーザの下腿部+下腿アーム」の重心までの距離[m]
θup:第1揺動角度(大腿揺動アーム13の変位角であって、もも上げ角度)[rad]
θun:第2揺動角度(大腿揺動アームに対する下腿アームの角度であって、膝曲げ角度)[rad]
|θ|:第1揺動角度の振幅[rad]
θ´:ゼンマイバネ24のねじり量[rad]
θ1:電動モータ21の回転角度(剛性調整部材23の回転角度)[rad]
ω:運動体の角周波数[rad/s]
t:時間[s]
n:変速機25の減速比[−]
η:変速機25の効率[−]
lgupx=−lgupsinθup (式10)
lgupz=lgupcosθup (式11)
lgunx=−lupsinθup+lgunsin(θup+θun) (式12)
lgunz=lupcosθup−lguncos(θup+θun) (式13)
lgx=(lgupxmup+lgunxmun)/(mup+mun) (式14)
lgz=(lgupzmup+lgunzmun)/(mup+mun) (式15)
J=(1/12)(mup+mun)(2lg)2+(mup+mun)(lg)2 (式16)
lg=√[(lgx)2+(lgz)2] (式16−1)
上記の(式16)のJをJ1として、第1の実施の形態の(式1)のJ1に代入する。つまり、第1の実施の形態の(式3)のJ1に、(式16)のJを代入することで、ゼンマイバネの見かけ上の剛性kを得ることができる。また、得られた見かけ上の剛性kの値を、第1の実施の形態の(式9−2)に代入することで、電動モータ21の回転角度θ1を得ることができる。
次に、図20、図21を用いて、大腿揺動アーム13を含めたユーザの下肢である運動体(大腿揺動アーム13+大腿部UL1+下腿部UL2(図4参照))にかかる重力の影響と、往復揺動運動軌跡の中央位置(ゼンマイバネの中立点)の影響を考慮した、第3の実施の形態における制御手段の処理手順の例について説明する。なお、第3の実施の形態における揺動関節装置は、図1〜図4に示す構成において下腿アーム35を、特に必要としない。下腿アーム35を省略した場合は、下記の運動体の質量m1を、「大腿揺動アーム13+大腿部UL1+下腿部UL2の質量」とすればよい。下腿アーム35を省略しない場合は、下記の運動体の質量m1を、「大腿揺動アーム13+大腿部UL1+下腿アーム35+下腿部UL2の質量」とすればよい。
次に図20に示すフローチャートを用いて、制御手段50の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動スイッチを操作すると、制御手段はステップS310に進む。
以下、図21に示すように、下記の定義をして説明する。なお、例えば下記のl、J、mは、入力されたユーザの身長、体重等に基づいて制御手段50が推定する。また、c、k1、n、ηは予め制御手段50に設定されている。
τ:駆動軸線6J回りの駆動トルク[Nm]
τ1:電動モータ21のモータトルク[Nm]
J:運動体の慣性モーメント[kgm2]
c:運動体の粘性係数[Nms/rad]
K:運動体から見たゼンマイバネ24の見かけ上の剛性(バネ定数)[Nm/rad]
k1:ゼンマイバネ24のもともとのバネ定数[Nm/rad]
m:運動体の質量[kg]
g:重力加速度[m/s2]
l:揺動中心である駆動軸線6Jから運動体の重心ULgまでの距離[m]
θ:運動体の揺動角度(大腿揺動アーム13の変位角)[rad]
|θ|:運動体の変位角の振幅[rad]
θ´:ゼンマイバネ24のねじり量[rad]
θ1:電動モータ21の回転角度(剛性調整部材23の回転角度)[rad]
θc:θ1を算出するために仮想的に設定した角度であり、ゼンマイバネの中立点(ゼンマイバネがトルクを出力していないときの仮想的な位置)の角度[rad]
φ:運動体の往復揺動運動軌跡の中央位置の角度である中央角度[rad]
Pc:運動体の往復揺動運動軌跡の中央位置[−]
ω:運動体の角周波数[rad/s]
t:時間[s]
n:変速機25の減速比[−]
η:変速機25の効率[−]
λ=±√(αi) (式22)
θ=|θ|cosωt+φ (式28)
K=Jω2−mgl (式29)
θc=[1+mgl/K]φ (式30)
変速機の減速比をn、変速機の効率をη、ゼンマイバネのもともとのバネ定数をk1とし、力が釣り合っていると仮定したとき、出力リンク(大腿揺動アーム)の駆動トルクτは、以下の(式31)、(式32)で表現できる。なお、第1の実施の形態の(式4)は、θc=0であることを示している。
τ=K(θ−θc) (式31)
τ=ηnτ1 (式32)
τ1=k1(nθ−θ1) (式33)
τ=ηnk1(nθ−θ1) (式34)
θ1=n(θ−θc)[1−K/(ηn2k1)]+nθc
=nθ[1−K/(ηn2k1)]+(Kθc)/(ηn2k1) (式35)
θ1=nθ[1−K/(ηn2k1)]+[φ/(ηnk1)](K+mgl) (式36)
2 ベース部
3 腰装着部
4 肩ベルト
5 制御ユニット
6 駆動軸部材
6J 駆動軸線
13 大腿揺動アーム(第1出力部)
13G 円板部
13S 第1角度検出手段
19 大腿装着部
21 電動モータ(剛性調整旋回手段)
21D 出力軸
21S 回転角度検出手段
22 ブラケット
23 剛性調整部材
23J バネ支持体
24 ゼンマイバネ(弾性体)
24A 固定端
24B 自由端
25 変速機
25A シャフト(バネ入力軸部材)
25B バネ自由端挿通溝
35 下腿アーム(第2出力部)
35S 第2角度検出手段
39 下腿装着部
50 制御手段
Js 基準線
θ1 回転角度(剛性調整角度、剛性調整部材の回転角度)
θf、θr、θ、θup 第1揺動角度
θun 第2揺動角度
θs 剛性調整角度(剛性調整部材の回転角度)
Claims (5)
- 往復揺動運動する運動体に接続されて、前記運動体の運動によってエネルギーを弾性体に蓄積するエネルギー蓄積モードと、前記弾性体に蓄積した前記エネルギーを放出して前記運動体の運動を支援するエネルギー放出モードと、を交互に繰り返す揺動関節装置であって、
揺動運動の中心となる揺動中心回りに揺動する第1出力部と、
前記第1出力部の揺動角度である第1揺動角度に応じて前記エネルギーを蓄積するまたは前記エネルギーを放出する前記弾性体と、
前記第1出力部から見た前記弾性体の見かけ上の剛性を可変とする見かけ上剛性可変手段と、
前記第1揺動角度を検出する第1角度検出手段と、
前記第1角度検出手段にて検出した前記第1揺動角度に応じて前記見かけ上剛性可変手段を制御して、前記第1出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記第1揺動角度に応じて前記運動体に働く重力、
または前記第1揺動角度と前記運動体の運動状態、に応じて前記運動体に働く慣性力、
または前記第1出力部の往復揺動運動軌跡の中央位置、
の少なくとも1つと、
前記第1揺動角度と、に基づいて、前記第1出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、
揺動関節装置。 - 請求項1に記載の可変剛性機構であって、
前記弾性体は、ゼンマイバネであり、
前記ゼンマイバネの一方端は、前記第1出力部の前記第1揺動角度に応じた角度で前記ゼンマイバネの中心であるバネ中心回りに旋回される第1出力部側入出力軸部に接続されており、
前記ゼンマイバネの他方端は、剛性調整用電動モータにて前記バネ中心回りに旋回される剛性調整部材に接続されており、
前記弾性体の見かけ上の剛性は、前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数であり、
前記見かけ上剛性可変手段は、前記剛性調整用電動モータと前記剛性調整部材にて構成されており、前記剛性調整用電動モータにて前記剛性調整部材の旋回角度を調整することで、前記第1出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、
揺動関節装置。 - 請求項1または2に記載の揺動関節装置であって、
前記制御手段は、前記重力と、前記第1揺動角度と、に基づいて前記第1出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する場合、
前記第1出力部を含めた前記運動体の質量である運動体質量と、
前記揺動中心から、前記第1出力部を含めた前記運動体の重心まで、の距離である運動体重心距離と、
揺動の角周波数と、
重力加速度と、
前記第1揺動角度と、
に基づいて、前記第1出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、
揺動関節装置。 - 請求項1または2に記載の揺動関節装置であって、
前記運動体は、人体における股関節から膝までの大腿部と、膝から下となる下腿部と、であり、
前記下腿部は、前記大腿部に対して、膝関節である膝中心回りに揺動し、
前記第1出力部は、前記大腿部に接続されており、
前記第1出力部における前記膝中心に対応する位置には、前記第1出力部に対して前記膝中心回りに揺動可能な第2出力部が接続されており、
前記第2出力部は、前記下腿部に接続されており、
前記第1出力部に対する前記第2出力部の揺動角度である第2揺動角度を検出可能な第2角度検出手段を有し、
前記制御手段は、前記重力及び前記慣性力と、前記第1揺動角度と、に基づいて前記第1出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する場合、
前記第1出力部を含めた前記大腿部の質量である大腿部質量と、
前記揺動中心から、前記膝中心まで、の距離である大腿部長さと、
前記揺動中心から、前記第1出力部を含めた前記大腿部の重心まで、の距離である大腿部重心距離と、
前記第2出力部を含めた前記下腿部の質量である下腿部質量と、
前記下腿部の一方端となる前記膝中心から、前記下腿部の他方端まで、の距離である下腿部長さと、
前記膝中心から、前記第2出力部を含めた前記下腿部の重心まで、の距離である下腿部重心距離と、
前記第1出力部の揺動の角周波数と、
重力加速度と、
前記第1揺動角度と、
前記第2揺動角度と、
に基づいて、前記第1出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、
揺動関節装置。 - 請求項1または2に記載の揺動関節装置であって、
前記制御手段は、前記重力及び前記中央位置と、前記第1揺動角度と、に基づいて前記第1出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する場合、
前記第1出力部を含めた前記運動体の質量である運動体質量と、
前記揺動中心から、前記第1出力部を含めた前記運動体の重心まで、の距離である運動体重心距離と、
揺動の角周波数と、
重力加速度と、
前記揺動中心と前記中央位置とを結ぶ仮想直線と、重力加速度方向と、がなす角度である中央角度と、
前記第1揺動角度と、
に基づいて、前記第1出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する、
揺動関節装置。
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