JP2020500732A - 一方向作動外骨格装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、１つまたは複数のアクチュエータ、１つまたは複数のコントローラ（１５）、１つまたは複数の単方向伝達を有する１つまたは複数のセンサ（７、８、１６、１７）を含む自律外骨格装置（３０）に関する。本発明は、生物学的関節と平行な機械的関節を提供する。外骨格装置（３０）は、好ましくは、生物学的関節の回りの回転を補助するために一方向の力を提供するための電気モータ（１）とウインチ、チェーン、ベルト、カム伝達または他の機構（３）とを含んでいる。さらに、コントローラ（１５）、モータ角度センサ（１６、１７）、関節角度センサ（７、８）、および／または力センサを、装置（３０）のさらなる制御および監視のために使用されることができる。モータ（１）は、任意の種類のモータとすることができるが、コンパクトで軽量の外骨格装置（３０）を提供するためにその直径がその長さよりも大きい構成においてはブラシレスであることが好ましい。【選択図】図１

Description

［１］関連出願への相互参照
［２］この特許文書は、２０１６年１０月１３日に出願された先の米国仮特許出願第６２／４０７，６７１号、および２０１６年１２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／４３３，３５７号の優先権を主張し、参照により全ての内容が本明細書に組み込まれる。

［３］政府サポート
［４］本発明は、米国陸軍からのＷ９１１ＱＹ−１６−Ｃ−００７２に基づく政府の支援を受けてなされた。

［６］本発明は、概して、外骨格、身体的能力を増強するために人によって着用される装置に関する。外骨格は受動的または能動的と見なされることができる。受動的な装置は電池のようなエネルギ源を必要としない。能動的な装置は、電子機器に電力を供給するためのエネルギ源、通常は１つまたは複数のアクチュエータを必要とする。使用者は装置を携帯して身体と共に移動させなければならないので、外骨格は可能な限り軽量であることが望ましい。動きを補助するために、これらの装置が大量の力、トルクおよび／または力を人体に提供できることも望ましい。低い質量および高い力／トルク／出力というこれら２つの要件はしばしば競合する要件であり、設計上のトレードオフを行わなければならない。さらに、人体に大きな力やトルクを加えることは困難である。人体の筋骨格系は信じられないほどの大きさのトルクおよび力に耐えることができるが、体の外側は同じような大きさの力／トルクに耐えることに慣れていない。軽量であり、高い力／トルク／動力を生み出すことができることに加えて、外骨格はまた、エネルギを人間に伝達するのに快適かつ効率的であるべきである。さらに、装置は身体の自然な動きの範囲を妨げるべきではない。

［７］能動的な外骨格はエネルギ効率がよく、そして容易に制御されることもまた望ましい。能動的な外骨格は、電子機器、センサ、通常はアクチュエータに電力を供給するためのエネルギ源を必要とする。通常、バッテリーは電気モータと共に使用される。しかしながら、圧縮空気を使用して空気式外骨格を動かすこともできる。外骨格は、エネルギ源を有用な機械的な力／トルク／動力に変換するのに可能な限り効率的でなければならない。ユーザーはエネルギ源も携行することをしばしば要求されるので、効率的な装置は、主な設計目的でたる、より軽い装置をもたらす。搭載された電子機器は設計者が外骨格を制御することを可能にするが、装置はより容易な制御を可能にするように機械的に設計されることができる。例えば、より低い伝達比を有する能動的な装置は、しばしば制御および後退駆動がより容易である。出力力センサおよびトルクセンサを使用して制御をより容易にすることもできる。

［９］本発明は、従来技術の外骨格装置の利点を維持する。また、それは現在利用可能な外骨格装置には見られない新しい利点を提供し、そのような現在利用可能な外骨格装置の多くの不利点を克服する。

［１０］本発明は、概して、装置質量、力／トルク／動力出力、快適性、効率性、および制御性などの設計上の課題に関する既知の外骨格装置に関連する問題に対処する新規かつ独特な外骨格設計に関する。

［１２］したがって、本発明の目的は、コンパクトで、軽量で、製造コストが安価でありながら、従来技術の外骨格装置に関連する問題に対処するために強力かつ制御が容易である、新きて新規な外骨格装置を提供することである。

［１１］本発明は、１つまたは複数のアクチュエータ、１つまたは複数のコントローラ、１つまたは複数の一方向トランスミッションを備えた１つまたは複数のセンサを含む自律外骨格を提供する。本発明はまた、生物学的関節と平行な機械的な関節を提供する。外骨格装置は、電動モータと、一方向の力を提供するためのウインチ、チェーン、ベルト、カム伝動装置または他の機構とを含むことが好ましい。さらに、制御装置、モータ角度センサ、関節角度センサ、および／または力センサを設けることができる。モータはいかなるタイプのモータでもよいが、その直径がその長さよりも大きい構成ではブラシレスであることが望ましい。

［１４］本発明の特徴である新規な特徴は特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明の好ましい実施形態は、さらなる目的および付随する利点と共に、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解されるであろう。
［１５］本発明の外骨格装置の斜視図である。 ［１６］図１の本発明の外骨格装置の逆斜視図である。 ［１７］足首関節で駆動ベルトを駆動スプールに取り付けることを示すために説明のために様々な構成要素が取り除かれた、図１の本発明の外骨格装置の逆斜視図である。 ［１８］図１の本発明の外骨格装置の分解斜視図である。 ［１９］図５Ａ乃至５ｃ６は、足首関節の外転と内反の程度が異なる、本発明の外骨格装置の正面図である。 ［２０］図６Ａ乃至６ｃは、足首関節の背屈の程度が異なる、本発明の外骨格装置の正面図を示す。 ［２１］駆動スプールを駆動するモータを示すために説明のために様々な構成要素が取り除かれた、図１の本発明の外骨格装置の逆斜視図である。 ［２２］膝関節で使用される本発明の外骨格装置の代替実施形態の斜視図である。

［２４］まず図１〜４および７を参照すると、本発明の外骨格３０の詳細が示されている。図１および２は、外側からの外骨格３０の２つの異なる斜視図を示す。様々な構成要素の詳細が図３および７に示されており、ここでは説明のために様々な構成要素が取り除かれている。

［２５］図１および２を参照すると、外骨格３０は、概して、下端に配置された内側足首関節軸受ハウジング２６およびその上部に配置された内側アクチュエータハウジング２２を有するすねチューブ２４を示す。図２に関連して説明するように、モータ１は、その上に制御電子機器カバー２０を含む横方向アクチュエータハウジング１９内にある。内側アクチュエータハウジング２２に取り付けられているのは、外骨格の上部をユーザーの脚のふくらはぎ部分に固定するふくらはぎアタッチメント１１である。そのような取り付けの詳細は、以下の図５Ａ〜５Ｃおよび図６Ａ〜６Ｃに関連して示されている。ふくらはぎアタッチメント１１は、より良好なクッション性および使用者にとっての快適さのための追加のカスタム調整のためのすねスライド１２およびすねガード１３ならびにすねパッド１４を含むことが好ましい。本技術分野において周知のように、ふくらはぎアタッチメントの構成要素は、きついが狭くはないフィットを提供するように調整されていてもよい。

［２６］結果として、使用者の上脚へのこの取り付けは、垂直力を脚の前部に伝達し、軽量で、容易かつ迅速に固定および調整することができ、多くの脚のサイズおよび形状に適応でき、他の機器との干渉を避けるために最小の大きさを有し、可動域（内側、前方、後方への突出が最小限）を制限せず、ズボンの上に使用されることができ、ユーザーにとって快適である。

［２７］内側足首関節ベアリングハウジング２６は、横方向足首関節ベアリングハウジング２５を含み、その中に足首関節クロス部材５を旋回可能に受けるようになっている。レバーアーム４の自由端は、関節クロス部材５に固定されている。これにより、足首関節の背屈動作は、足首関節レバーアーム４をそれに応じて、すなわち図２に示す方向Ａに動かす。ほとんどの場合に６として参照される複合フットプレートは、いくつかの構成要素を有している。それはソケット部６ａ、垂直コネクタ部６ｂ、および複合すね６ｃを含んでいる。足首関節の外転および内反は、円筒形シャフトおよびソケット型の旋回相互接続部６ａ内の足首関節クロス部材５内での複合フットプレート６の丸い自由端６ａの枢動動作によって、すなわち図１および２に示す方向Ｂに可能になっている。

［２８］レバーアーム４の下部自由端４ｂは足首関節クロス部材５に固定接続され、レバーアーム４の上部自由端４ａは駆動ベルト３に接続されている。レバーアーム４は、ヒールの後部の垂直面を超えて突出しないように、５０度の角度で上方に傾斜していることが好ましい。この角度付けはまた可変伝達プロファイルを改善させる。

［２９］駆動ベルト３は、図示の目的のために内側アクチュエータハウジング２２が取り外された図３に示すように、モータ１によって駆動される駆動スプール２の回りに巻き取られたり解かれたりする。図３においてハウジング２２が取り外されたことにより、制御電子機器１５および電源ジャック１８がその中に存在しているのが見られる。

［３０］図４を参照すると、本発明の外骨格３０の分解図が示されている。足首モータ１は、内側アクチュエータハウジング２２と外側アクチュエータハウジング１９との間、すなわち外側アクチュエータハウジング１９のシート１９ａ内に取り付けられている。制御電子機器１５が外側アクチュエータハウジング１９の外面に取り付けられ、カバー２０がその上に固定されている。モータ角センサマグネット１７を支持するためにモータ角センサマグネットマウント１６が設けられている。電源ジャック１８は外側アクチュエータハウジング１９にも取り付けられている。駆動スプール２は、モータ１の回転が駆動スプール２を回転させるようにモータ１に固定されている。改善された滑らかな動作のために、スプール２と内側アクチュエータハウジング２２との間に内側モータベアリング２１も設けられている。自由端２ａは、駆動ベルト３の自由端３ａが固定された状態で、内側アクチュエータハウジングの内面２２ａから離れるように延びている。したがって、後述するように、駆動スプール２が回転により、駆動スプール２の回りに巻かれたり解かれたりしたときに、駆動ベルト３を巻かせたり解かせたりさせる。駆動スプール２の構成は必要に応じて変更されることができる。例えば、駆動スプール２の直径、長さ、外形、および偏心は、駆動ベルト３の必要な巻き取りおよび解き動作を達成するために必要に応じて変更されることができる。

［３１］ふくらはぎアタッチメント１１は、ファスナ１１ａによって内側アクチュエータハウジング２２に固定されている。クッションすねパッド１４、すねガード１３、およびすねスライド１２は、調節可能に互いに相互接続されて、外骨格３０の上部を脚のふくらはぎなどのユーザーの体に固定する。必要に応じて、他の構造および構成を代わりに使用して外骨格３０を固定してもよい。

［３２］さらに図４を参照すると、すねチューブ２４は、それを横方向アクチュエータハウジング１９と内側アクチュエータハウジング２２との間に取り付けることができるようにするために、上部すねチューブフェルール２３Ａを含んでいる。底部すねチューブフェルール２３Ｂは、すねチューブ２４の下部を外側足首関節ベアリングハウジング２５と内側足首関節ベアリングハウジング２６との間に固定することを可能にする。

［３３］足首関節クロス５は、底部ソケット５ｃとその頂部にあるピボット部材５ｂとを含んでいる。すねチューブ２４が外側足首関節ベアリングハウジング２５および内側足首関節ベアリングハウジング２６に固定されている間、足首関節クロス５は外側足首関節ベアリングハウジング２５および内側足首関節ベアリングハウジング２６に旋回可能に接続されており、旋回ボス５ｂは、内側足首関節軸受１０を介して、関節軸受ハウジング２６のシート２６ａ内に着座する。反対側には、外側足首関節ベアリング９を介して外側足首関節ベアリングハウジングと旋回可能に連通する別の旋回ボス５ｃが設けられている。足首角度関節センサ７および足首角度関節センサ磁石８が、すねチューブ２４に対するユーザーの足首レバーアーム４の回転運動および使用者のふくらはぎ位置を検出するために設けられている。

［３４］足首関節クロスはまた、複合フットプレート６のシリンダ６ａを旋回可能に受けるためのソケット５ａを含み、それはまた、接続部材６ｂと履物のソールを受けるかまたは履物のソールに直接組み込まれ得る（図４には不図示）複合すね６ｃとも含んでいる。足首関節クロスキャップ２７がその自由端に設けられている。上記の図１および２で説明するように、このようなシリンダおよびソケット構成は足首関節の外転および反転を可能にする。そのような能力のさらなる詳細は、図５Ａ〜５Ｃに示されており、足首関節の外転および反転動作、ひいては履物３２の外転および反転動作が、示されている矢印の方向へのシリンダおよびソケットの配置動作によって許容されている。

［３５］説明目的でたくさんの構成要素を取り除いた図７は、本発明による外骨格の代替実施形態２３０を示している。例えば、フットプレート２０６に対して回転する外転および反転回転ジョイント２０５は、フットプレート２０６がセンサ２０７を有するすね２０８の自由端を受ける分岐ジョイントとして構成されていてもよい。足首モータ２０１は、すね２０８の反対側の自由端に組み込んで回転駆動スプール２０２を設けることができる。レバーアーム２０４は、駆動ベルト２０３が巻き取られて駆動スプール２０２から解かれる身体関節の動きと共に所望の回転方向を提供するようにフットプレートの領域に旋回可能に接続されていてもよい。

［３６］図８は、膝関節での使用に適した外骨格を提供する本発明のさらなる代替実施形態を示す。モータ１００は、大腿部アタッチメント１１０およびすねアタッチメント１１１によってユーザーに固定された駆動スプール１０１が設けられている。剛性すねハウジング１０９はすねアタッチメント１１１に接続され、すねハウジング１０９は膝関節の回転軸１１４と同軸のジョイントプーリ１０５に旋回可能に接続する。剛性大腿部ハウジング１０２は、モータ１００を関節プーリ１０５に旋回可能に接続する。１１３で駆動スプール１０１に、１１５で関節プーリに接続されている膝屈曲ベルト１０４が設けられている。膝延長ベルト１０８も設けられており、これは１１２で駆動スプールに、１１６で関節プーリに接続されている。膝延長ベルト１０８が係合されると、膝屈曲ベルト１０４は緩みを生じさせる。膝延長ベルト１０８が外れて緩んでいるとき、破線で示すように、膝屈曲ベルト１０３は噛み合うようになる。従って、この実施形態では、伸張方向および屈曲方向における二重の一方向制御を達成されることができる。

［３７］本発明によれば、動作中および使用中に、図５Ａ〜５Ｂに最もよく示されており、ふくらはぎアタッチメント１１は、上述のように使用者の脚２１２のすね２１０に取り付けられて、脚２１２の側面に位置するすねチューブ２４のような剛性構造に固定する。脚部２１２に加えられる力を測定するために、一体型歪みゲージ（または他の任意の力センサ）を設けられることができる。図１〜３および４に詳細に示されている関節構造は、足底の屈曲、背屈、回転、外転、および反転などの自然な足の動きを可能にするための単純な回転関節または異なる回転軸を有する２つの回転関節などのより複雑な関節の組み合わせであってもよい。好ましい実施形態３０は、異なる回転軸を有するそのような複数の関節を含んでいる。複合フットプレート６の複合すね６ｃは、好ましくは、背屈及び足底の屈曲の方向に足首関節の回りにモーメントを加えることを可能にする外部構造を有するブーツ３２のような履物に一体化されている。複合すね６ｃは靴のソールに直接的に一体化されることもできる。例えば、炭素繊維複合体すね６ｃは、ブーツのかかとなどに一体化されていてもよい。代替的に、一体型ヒールプレートはまた、かかとから前足部まで延びる延長部（図示せず）を有していてもよく、大きなモーメントを足に加えることを可能にする。

［３８］複合フットプレート６の複合すね６ｃは、好ましくは靴３２のソールに直接的に一体化されている。複合フットプレート６は、アクチュエータによって発生した力を地面および使用者の足３３に伝達する。フットプレート６の機能は、１）足３３と相互作用すること、および、２）外骨格３０のアクチュエータと相互作用すること、である２つの一般的な機能に分けられることができる。

［３９］好ましくは、複合フットプレート６は、地面と接するゴム製のアウトソールと、フットプレート６と足３３とを分ける柔らかいフォームソール３５との間のソール３４に直接的に一体化されている。フットプレート６は、柔軟で快適なままで、アクチュエータの力を地面および使用者の足３３に伝達しなければならない。これは、厚さを変化できる炭素繊維複合フットプレート６を用いて達成される。フットプレート６は、足３３のかかとの下で約３ｍｍの厚さであることが好ましく、つま先の下で約１ｍｍまで薄くなる。フットプレート６を薄くすることで、つま先の屈曲が可能になると同時に、弾性エネルギを蓄えて解放する。一方向炭素繊維の層が強度を提供するために足３３の長軸に沿って置かれる。織られた炭素繊維の外層は、複合材料の安定性とねじり荷重に対応するために使用されている。

［４０］フットプレート６の厚さは、手元にある用途に合うように調整されることができる。フットプレート６、特に複合すね部６ｃは、外骨格トルクを足３３に効率的に伝達するために可能な限り剛性を有しているべきであるが、それはまた自然な足の運動範囲を維持するのに十分に柔軟でなければならない。ＭｃＲａｅの暑い気候用ブーツのような現在の標準的な軍用のブーツは、典型的な標準的な民間のブーツよりはるかに硬い。これは部分的にソールに一体化されている複合すねによる。複合すねは、剛性アーチ支持を提供し、鋭利な品物への繰り返しの暴露から足３３を保護する。カスタムカーボンファイバー製フットプレートは、Ｒｏｃｋｙ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅなど、より軽量で柔軟性の高い巧妙なブーツに一体化されている。本発明の炭素繊維すねインサート６ｃは、既知の複合すねに代わるものであり、本発明によれば、外骨格３０とも相互接続されながら、ＭｃＲａｅのブーツの複合すねと同じ機能の多くを提供する。したがって、本発明の外骨格３０は既存の履物３２に容易に組み込まれることができる。

［４１］また、ほとんどの場合に６と参照されている、複合フットプレートの第２の機能は、外骨格３０と接続し相互作用することである。外骨格３０は、上述のように、モータ１、電子機器１５、駆動スプール２、およびレバー４を含んでいる。垂直コネクタ部材６ｂは、踵の下で、フットプレートすね６ｃの側方から延びる。垂直コネクタ６ｂはまた、背屈および底屈のためのベアリングを含んでいる。したがって、複合フットプレート６は、フットプレート６ｃと垂直コネクタ部材６ｂとの間に所定の角度を有する中実の単一部材として製造されるのが好ましい。そのような角度は、所与の解剖学的構造に適合し、最適な位置合わせを提供するように所望に応じて修正されることができる。いきなる単一の使用者にも対応するためにカスタム複合フットプレート構成を提供することができる。

［４２］垂直コネクタ部材６ｂは、シリンダとソケットとのジョイント接続を含むので、外転および反転運動を提供することが可能であり、図５Ａ〜５Ｃに最もよく示されるように、そのような外転および反転運動に適応する自由度がある。足首関節クロス部材５もまた、レバー４に固く接続されている。これにより、モータ１が駆動スプール２を駆動して駆動ベルト３を巻き取り、次いでレバー４を作動させ、本発明によって底屈させるためにレバー４および足首関節クロス５を連結させる。足底屈足首関節クロス５は、フットプレート６ｃを外転または反転させながら、フットプレート６ｃにこれらの力を与える。関節の外転／反転ジョイントは、いくらかの質量と複雑さを増加させるが、望ましい自由外転／反転動作を可能にし、中立位置力を与えることなくいかなるユーザーにも適応する。この関節の反転／反転ジョイントはまた、外転／反転方向に柔軟性を有する必要がもはやないので、垂直コネクタ部材６ｂの幾何学形状を単純化する。さらに、レバーアーム４は、複合フットプレート６内ではなく足首関節クロスメンバ５内に一体化／接続され、フットプレートの製造工程を単純化する。外転／反転関節ジョイントは、人間の足首によって達成される完全な可動範囲に対応できる。

［４３］関節の外転／反転は、外骨格を迅速に廃棄することを可能にする。足首関節クロス５は垂直コネクタ部材６ｂ内に滑り込み、次いで数本の止めねじで固定される。ねじは、つまみねじ、磁気ロック機構などのロック機構（図示せず）と交換されることができる。一旦ロック機能が解除されると、フットプレート部６は解除されることができる。レバーアーム４および背屈／底屈ジョイントはもはや複合フットプレート６に一体化されていないので、フットプレート６は、垂直コネクタ部材６ｂを含むという点で通常のブーツと異なるだけであり、それは高さ７０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ５ｍｍであり、足の側部から約２０ｍｍ離れた位置にある。外骨格機能が必要とされない場合、複合フットプレート６を有する靴３２のみが最小限の効果で着用され得る。靴から外骨格３０の上部を迅速に取り外し、フットプレート６を無傷のままにしておくことは、オペレータが外骨格を迅速に取り外す必要がある状況では価値があり得る。

［４４］外骨格３０は、一方向アクチュエータを駆動するために、図４および７の２０１のように電気モータ１を使用する。モータは、バッテリ（図示せず）などの電源によって駆動される。この一方向アクチュエータは、一方向に力またはトルクを加えることができるが、反対方向には力またはトルクをほとんどまたはまったく与えないアクチュエータである。本発明の一方向アクチュエータは、必要に応じて、ある範囲の動作に対して一方向のみであり得る。足首駆動ベルト３は、図１〜４に示すように、一方向アクチュエータの１つの好ましい実施形態である。なぜなら、このような駆動ベルト３は、駆動スプール２に巻き取られているときにのみ引っ張ることができ、駆動スプール２から繰り出されているときに押すことができないためである。本発明と共に使用され得る一方向アクチュエータ（図示せず）の他の例は、ウインチ、５本バーリンケージ、５本以上のバーとのリンケージ、１本のリンクが紐またはケーブルである４本バーリンケージ、１つのリンクが紐またはケーブルである場合の５本バーリンケージ、捕捉されていない従動子を有するカム、スリップクラッチを有するロータリーアクチュエータ、機械的特徴が一方向に干渉しトルクを伝達するが反対方向に干渉しないロータリーアクチュエータ、紐またはケーブルを引っ張る線形アクチュエータ、および接続されずに機械的特徴を押す線形アクチュエータなどである。これらの代替物は本発明の範囲内にあるとみなされる。

［４５］本発明によれば、駆動ベルト３は、一方向性の範囲を広げるが、柔軟性を有する必要はない。さらに、駆動ベルト３は、本質的に弾性であり、引っ張られた状態でエネルギを蓄える。駆動ベルト３を巻き取るために駆動スプール２を直接駆動するようにモータ１を示しているが、モータとスプールとの間にも伝動装置を使用することができる。例えば、多くの活動の間、関節が伸びるか曲がるにつれて人体はより大きなトルクを発生させる。可変変速機を使用して、一般により大きなレベルのトルクを必要とする角度領域の間に変速比を増大させることができる。例えば、足首外骨格の場合には、足首背屈があるほど、リンケージをより高い伝達比を有するように設計されることができる。他の様々な送信が使用されてもよく、それでも本発明の範囲内である。これらは、可変半径スプールを有するウインチ、可変半径を有するタイミングベルトプーリ、可変半径を有するチェーンおよびスプロケット、ならびにカムおよびフォロワ構成を含む。

［４６］図５Ａ〜５Ｃおよび図６Ａ〜６Ｃを参照すると、外骨格３０は、身体の前面から突出しないことがわかる。埋め込まれたフットプレート６は、足の前部の隣の地面のかかとの下側に対抗して力を発生させる。上述したように、ベルトおよびチェーンはウインチと同様の方法で使用されることができる。本発明の好ましい実施形態３０においては、駆動部３が使用されている。より具体的には、駆動ベルト３は、モータ１によって駆動される駆動スプール２に巻き付けられている。モータ１は、一方向に、すなわち駆動ベルト３が駆動スプールに巻き取られているときに、駆動ベルト３に張力を加える。さらに、駆動スプール２の半径は、特定の力プロファイルを達成するように構成することができる。これらは、本発明を実施するために使用され得る多くの異なる構成および機構のうちの１つにすぎない。

［４７］より具体的には、本発明の外骨格３０は、駆動スプール２がベルトを巻き取る一方向駆動スプールアクチュエータを使用する。駆動スプール２は偏心しないことが好ましいが、偏心的に構成されることもできる。駆動スプールの偏心回転中心が使用される場合、必要に応じて、巻き付けられた駆動ベルト３が大きくおよび小さくなるにつれて、変速比の変化を超えて可変変速比が達成されることができる。

［４８］図６Ａは、本発明に係る外骨格３０の好ましい実施形態の側面図を示す。横方向足首関節ベアリングハウジング２５および内側足首関節ベアリングハウジング２６内のレバーアーム４のアクチュエータ領域は、最も極端な背屈角度にある。駆動ベルト３は駆動スプール２０にピン留めされているかまたは固く接続されている。図６Ｂは、本発明の外骨格３０の側面図を示している。アクチュエータは、わずかな背屈角度を有するまたはまったくの背屈角度を有さない。図６Ｃは、駆動ベルト３が駆動スプール２の回りに部分的に巻かれた状態で外骨格３０が底屈角を作動させた状態の外骨格３０の側面図を示している。駆動ベルト３は、駆動スポーク２にピン留めされているか又は固く接続されているので、それは底屈トルクを加えることしかできず、背屈トルクを加えることはできない。モータ１の係合の結果として、駆動ベルト３は駆動スプークの回りに巻き付けられて駆動ベルト３を巻き取る。駆動ベルト３が駆動スプール２に巻き付くと、駆動スプール２が回転すると伝達比が減少するように構成されることができる。

［４９］さらに図６Ａは、最も極端な背屈角度にある外骨格３０を作動させた状態での外骨格３０およびブーツ３２の側面図を示していることに留意されたい。一方向駆動ベルト３は、可変半径駆動スプール２に固定されており、張力を加えることしかできない。可変半径駆動スプール２が回転すると、得られるスプールの半径が増加し、全体の変速比が減少させる。可変半径駆動スプール２は、モータ１によって駆動され、モータ１は好ましくはブラシレスである。一方向駆動ベルト３はベルトとして示されているが、タイミングベルト、コード、一連の平行コード、平繊維強化ベルト（繊維はウレタン、ポリウレタン、シリコーン、またはネオプレンのような耐摩耗性ゴムで囲まれている）、平らなスチールベルト、または５０ｍｍ未満などの小径スプールを包み込むことができ、２００Ｎを超えるような高い張力に耐えることができる任意の柔軟性を有する構造として示されている。図６Ｂでは、外骨格３０とブーツ３２とは中立角度で配置されている。図６Ｃは、最も極端な底屈角における外骨格を示す。

［５０］それ自体の回りに巻き付くベルトが使用されるので、スプール全体の直径は増大し、それは伝達比を減少させる。したがって、ベルトの厚さを薄くすると、伝達比への影響も小さくなるが、通常はベルトの強度も低下させる。したがって、ピークのトルクは最大背屈の間に発生し、底屈の間に減少させるので、装置の足底屈の際に伝達比を減少させることは効率を改善させることができる。

［５１］一般に、モータ１は、駆動スプール３に直接的に接続されてもよく、または最初に歯車伝動装置、プーリ伝動装置、タイミングベルト伝動装置、サイクロイド伝動装置、摩擦伝動装置、またはハーモニック伝動装置などの減速伝動装置に接続されていてもよい。本発明では任意の種類のモータを使用することができるが、ＦｌｅｘＳＥＡ−Ｒｉｇｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓを有するＤ８．０モータなどのカスタムモータ１を使用することが好ましい。カスタムＤ８．０モータは、１７．２ｍｍの範囲の厚さを有し、これは本発明での使用に非常に適している。さらに、それは駆動スプール２の長さおよび電子機器１５の厚さを減少させる特徴を含んでいる。Ｄ８．０モータは、装置の横方向の突出を制限するためにアクチュエータの出力密度を増加させており、これは本外骨格３０にとって特に有利である。モータ１の軸は、脚の長軸に対して特に垂直であり、矢状面に対して垂直である。ＦｌｅｘＳＥＡ−Ｒｉｇｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓなどの電子機器がモータ１の側部に取り付けられている。

［５２］使用時に、モータ１は、搭載された制御電子機器１５およびバッテリ（図示せず）によって電力を供給され制御される。モータ１の角度は、モータ角度センサ１６、１７で測定され、足首出力関節の角度は、別々の角度関節センサ７、８で測定されることが好ましい。センサは、光学式エンコーダ、磁気角センサ、ホール効果センサ、ポテンショメータ、容量センサ、誘導センサ、または線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）などの任意の種類のセンサであってもよい。

［５３］モータ角度センサ１６、１７および足首角度センサ７、８は、アクチュエータが係合してトルクを発生させるときには関連しているが、アクチュエータが係合していないときは独立していることが好ましい。したがって、動作中、制御電子機器１５は、駆動スプールの回りの駆動ベルトの巻き取りおよび繰り出させることを制御する。外骨格３０の様々な構成要素は制御電子機器１５に電子的に相互接続されているので、それらは必要に応じて制御および監視されることができる。例えば、センサ、モータ１、およびバッテリ（図示せず）などの電源は、制御電子機器１５に電子的に接続され、それによって、モータ１を介した駆動ベルト３の巻き取りおよび繰り出しのタイミングを調整されて、適切なタイミングで底屈トルクを外骨格によって加えることができ、関節の底屈を補助するためにそのトルクによって生み出された仕事を用いることができるように、センサの助けを借りて、ユーザーの足取りにタイミングを合わせまたは同期させることにより、歩行を容易にする。

［５４］例えば、制御電子機器１５は、慣性センサの読み取り、マイクロコントローラ間のクロック同期、シリアルおよびＩ^２Ｃ通信、不揮発性メモリインターフェースなどのような異なるタスクを実行するようにプログラムされることができる。これらの特徴により、より高度なコントローラが可能になる。例えば、１６８ＭＨｚのＣｏｒｔｅｘ−Ｍ４Ｆ ＳＴＭ３２Ｆ４２７コントローラは、外骨格３０の制御に関する高いレベルのアルゴリズムを実行するために利用可能な計算サイクルを実行するために使用されてもよい。フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、複合プログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、およびグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）も、ハードウェア数学の加速および制御に用いられることができる。これにより、機械学習技術をリアルタイムで用いることも可能にする。

［５５］記載された外骨格は、片足または両足に着用することができる。外骨格が両側の構成で着用されているとき、２つの外骨格は、制御または遠隔測定の目的で状態情報を共有するためにワイヤによるまたはワイヤレスの通信プロトコルと通信することができる。

［５６］当業者であれば、本発明の精神から逸脱することなく、例示した実施形態に対して様々な変更および修正を加えることができることを理解するであろう。そのようなすべての修正および変更は、添付の特許請求の範囲によって含まれることを意図している。

Claims (28)

1. 身体関節の軸の回りにトルクを発生させるための生体力学的関節において、
   身体関節の近位側の第１の身体部分に接続された第１の構造と、
   前記身体関節の遠位側の第２の身体部分に接続された第２の構造であって、前記第１の構造と互いに旋回可能に接続された、第２の構造と、
   モータ回転軸を有する電気モータであって、前記モータは前記第１の構造に取り付けられ、前記モータ回転軸は第１の身体部分の主軸に対して垂直であり、前記電気モータは一方向トランスミッションを有して構成および配置された、電気モータとを備え、
   前記一方向トランスミッションは、前記第１の構造および前記第２の構造の両方に接続された、生体力学的関節。
2. 前記第１の構造と前記第２の構造とは、回転継手を介して接続された、請求項１に記載の生体力学的関節。
3. 前記回転継手は、ロータリーエンコーダを含む、請求項２に記載の生体力学的関節。
4. 前記回転継手は、複数のベアリングを含む、請求項２に記載の生体力学的関節。
5. 前記外骨格の塊が、前記第１の身体部分および前記第２の身体部分の側方、前方、および／または後方に配置された、請求項１に記載の生体力学的関節。
6. 前記一方向アクチュエータは、ウインチおよびコードであり、前記ウインチが前記コードを巻き取るように構成された、請求項１に記載の生体力学的関節。
7. 前記コードは、平行またはねじれた繊維を有する、請求項６に記載の生体力学的関節。
8. 前記コードは、超高分子量ポリエチレン、ダイニーマ、ケブラー、スペクトラ、およびベクトランからなる群から選択される材料で製造された、請求項６に記載の生体力学的関節。
9. 前記コードは、繊維の複合材であり、ゴムまたはプラスチックの柔軟なコーティングを有する、請求項６に記載の生体力学的関節。
10. 前記コードは、スプールによって巻き取られて運ばれる、請求項６に記載の生体力学的関節。
11. 前記スプールは、取り外し可能であり、前記コードは交換可能である、請求項１０に記載の生体力学的関節。
12. 前記コードは、バンドまたはベルトとして構成された、請求項６に記載の生体力学的関節。
13. 身体関節の回転軸の回りにトルクを発生させるための生体力学的外骨格関節のための制御システムにおいて、
    左脚に構成および配置された左外骨格部材と、
    右脚に構成および配置された右外骨格部材と、
    前記左外骨格部材に接続された第１の制御装置、および、前記右外骨格部材に接続された第２の制御装置であって、前記左外骨格装置と前記右外骨格装置は、有線接続または無線で互いに通信する、第１の制御装置および第２の制御装置と、
    前記左脚および前記右脚にそれぞれ機械的に接続された左アクチュエータおよび右アクチュエータであって、それぞれの前記左アクチュエータおよび前記右アクチュエータの機械的解除は、それぞれの前記左脚および前記右脚にトルクを生じさせない、左アクチュエータおよび右アクチュエータと、を備え、
    前記センサはセンサデータを生成し、
    前記左脚または前記右脚の移動中に、前記左外骨格装置および／または前記右外骨格装置の少なくとも１つの特性を検出するように構成および配置された少なくとも１つのセンサとを備え、
    前記第１の制御装置および／または前記第２の制御装置は、前記左外骨格部材および／または前記右外骨格部材を制御するために前記センサデータを使用する、制御システム。
14. 前記少なくとも１つのセンサは、角度センサ、速度センサ、ＥＭＧセンサ、磁力計、加速度計、ジャイロセンサ、および力センサからなる群から選択された、請求項１３に記載の制御システム。
15. 前記左外骨格装置および前記右外骨格装置は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｗｉ−Ｆｉ、ＲＦＩＤ、受動的または能動的接続によって互いに無線で通信する、請求項１３に記載の制御システム。
16. ユーザーがステップを踏んでいる間にセンサデータが収集される、請求項１３に記載の制御システム。
17. 前記制御装置にさらに情報を与えるために、関節トルクが加えられている間にセンサデータが収集する、請求項１３に記載の制御システム。
18. 前記制御システムの前記データは、コンピュータサーバまたはクラウドサーバから読み書きされることができる、請求項１３に記載の制御システム。
19. 前記左外骨格および前記右外骨格の動作のパラメータは、一人のユーザーから学習され、他のユーザーと共有可能である、請求項１３に記載の制御システム。
20. 前記左外骨格または前記右外骨格のうちの一方の状態は、他方の前記外骨格の前記制御方法を変更することができる、請求項１３に記載の制御システム。
21. 前記第１制御装置および前記第２制御装置は、第３制御装置に接続されている、請求項１３に記載の制御システム。
22. ソールと本体とを有する足用の履物用複合フットプレートにおいて、
    前記履物のソール内に結合されたフットプレートと、
    前記フットプレートと地面との間に配置されたアウターソールと、
    前記フットプレートと足との間に配置されたインナーソールと、を備え、
    前記フットプレートは、その前記外側および／または後側で前記足の足首関節に向かって上方に延び、前記フットプレートは、複数の向きの繊維を有する複合材料で作られており、中足関節領域では柔軟であり、前記フットプレートの厚さは変化する、履物用複合フットプレート。
23. 前記フットプレートは、位置ずれおよび外転／内反を可能にするように柔軟な直立部分を含む、請求項２２に記載の履物用複合フットプレート。
24. 前記直立部分は、前記外骨格アクチュエータと相互作用するレバーアームを含む、請求項２２に記載の履物用複合フットプレート。
25. 前記フットプレートは、一方向ＣＦ、綾織りＣＦ、および／または平織りＣＦからなる前記群から選択される材料で作製される、請求項２２に記載の履物用複合フットプレート。
26. 前記直立部分は、前記足首回転軸と一直線に回転関節に接続する、請求項２２に記載の履物用複合フットプレート。
27. 前記フットプレートは、力センサ、圧力センサ、歪みセンサ、ＩＭＵセンサ、湿度または液体センサ、および温度センサからなる群から選択される埋め込みセンサをさらに含む、請求項２２に記載の履物用複合フットプレート。
28. 前記フットプレートは、外転／内反を可能にする機械的継手を含む、請求項２２に記載の履物用複合フットプレート。
    

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