JP2023062729A

JP2023062729A - 歩行補助装置

Info

Publication number: JP2023062729A
Application number: JP2021172787A
Authority: JP
Inventors: 正小田島; Tadashi Odajima; 英明服部; Hideaki Hattori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-05-09
Also published as: CN115998586A; US20230131281A1; DE102022122938A1

Abstract

【課題】抵抗力発生範囲の制約を無くすことができる歩行補助装置を提供すること。【解決手段】本発明にかかる歩行補助装置１０は、使用者の膝に対応する箇所に位置する出力軸ｃにおいて回転自在に連結される一対のリンク部材であって、一方が使用者の大腿側に固定され、他方が使用者の下腿側に固定される一対のリンク部材１１，１２と、出力軸ｃに対して伝達される抵抗力であって、出力軸ｃにおける一対のリンク部材１１，１２の回転運動に対する抵抗力を発生させるロータリダンパ１３と、ロータリダンパ１３が発生させる抵抗力を、一対のリンク部材１１，１２の回転方向のうち一方に制限するワンウェイギヤ１４と、ロータリダンパ１３による抵抗力の伝達及び遮断を切替えるクラッチ１５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、歩行補助装置に関する。

近年、リハビリ現場などで使用者の歩行を補助するための歩行補助装置が実用化に向けて開発されている。このような歩行補助装置は、使用者の脚に装着され、使用者の膝関節の伸展動作を補助する構成である。特許文献１には、脚部の大腿部及び下腿部それぞれに沿って設けられる一対のリンク部材が、膝関節を軸に回動する機構を用いた技術が開示されている。

特開２０１８－１１４１７５号公報

特許文献１に開示されたような一対のリンク部材は、粘性抵抗を有するダンパなどで接続されることによって、使用者の歩行状態に合わせて膝関節の回動運動への抵抗力を発生させることができる。

例えば、ダンパとしては、直動型ダンパを用いることができる。ただし、直動型ダンパの伸縮範囲は有限である。そのため、直動型ダンパを用いる場合、その伸縮範囲内において抵抗力を発生させることが可能であるが、このような伸縮範囲による抵抗力発生範囲の制約を無くして、より多彩な使用状況に対応可能な歩行補助装置を実現したいという要求がある。

本発明は、上述のような問題点に鑑み、抵抗力発生範囲の制約を無くすことができる歩行補助装置を提供するものである。

本発明にかかる歩行補助装置は、使用者の脚に装着され、前記使用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、前記使用者の膝に対応する箇所に位置する出力軸において回転自在に連結される一対のリンク部材であって、一方が前記使用者の大腿側に固定され、他方が前記使用者の下腿側に固定される一対のリンク部材と、前記出力軸に対して伝達される抵抗力であって、前記出力軸における前記一対のリンク部材の回転運動に対する抵抗力を発生させるロータリダンパと、前記ロータリダンパが発生させる前記抵抗力を、前記一対のリンク部材の回転方向のうち一方に制限するワンウェイギヤと、前記ロータリダンパによる前記抵抗力の伝達及び遮断を切替えるクラッチと、を備える。このように、ロータリダンパを用いることで、直動型ダンパにおけるような伸縮範囲による抵抗力発生範囲の制約を無くすことができる。また、このような前提で、ワンウェイギヤ及びクラッチを用いて、ロータリダンパが抵抗力を発生させる範囲を調整可能とすることで、常に使用者の動きに対して抵抗力がかかった状態にするのではなく、使用者の動きに合わせて、抵抗力発生のＯＮとＯＦＦとを切替えることができる。

また、本発明にかかる歩行補助装置は、前記クラッチによる抵抗力の伝達及び遮断の切替えを制御する制御部をさらに備える。これにより、使用者の動きに合わせて、抵抗力発生のＯＮとＯＦＦとに自由度を持たせることができる。

本発明により、抵抗力発生範囲の制約を無くすことができる歩行補助装置を提供することができる。

本発明の実施形態１にかかる歩行補助装置の構成図である。本発明の実施形態１にかかる歩行補助装置の外観を部分的に示す図である。従来の歩行補助装置に用いられる直動型ダンパの構造を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下の実施形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む。）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施形態において、その構成要素は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等（個数、数値、量、範囲等を含む。）についても同様である。

＜本発明に想到するまでの検討経緯＞
歩行時の膝折れを防ぐことによって、安定な歩行を安心に提供する歩行補助装置が知られている。歩行補助装置は、電動モータなどのアクチュエータを用いたものが多くみられる。しかし、このようなアクチュエータを用いた場合、歩行補助装置は大型化や重量過大の問題が生じる。そのため、粘性抵抗を有するダンパ機構による解決手法を用いることができる。

歩行補助装置のダンパ機構に用いられる粘性抵抗は、歩行のタイミングに合わせて粘性抵抗の増減、すなわち抵抗力発生のＯＮとＯＦＦとを切り替える必要がある。そのため、ダンパ機構には、十分な抵抗力を発生させる機能と合わせて、抵効力発生のＯＮとＯＦＦとの切り替えを制御する機能も必須となる。現状では、ダンパ機構には、伸縮動作の縮み側において粘性抵抗を発揮する直動型ダンパが用いられている。直動型ダンパは、特に外部の抵抗力調整つまみによる内部絞りの開閉によって抵抗力発生のＯＮとＯＦＦとが切り替えられるものが採用されている。

従来の歩行補助装置に用いられる直動型ダンパ２０の構造について、図３を用いて説明する。図３は、直動型ダンパ２０の構造を示す図である。図３に示すように、直動型ダンパ２０は、インナーチューブ２１にオイル２２が充填されており、伸縮動作に応じてピストンリング２３がオイル２２を流動させる。また、直動型ダンパ２０は、インナーチューブ２１に押し戻し用ばね２４を備えるため、粘性抵抗を有するものとして機能する。さらに、直動型ダンパ２０は、インナーチューブ２１に充填されたオイル２２の流速が速くなるにつれて、抵抗が大きくなる。すなわち、直動型ダンパ２０の抵抗はピストンの動作速度に概ね比例する。

歩行補助装置に直動型ダンパ２０を用いる場合、以下のような２つの問題がある。
１つ目の問題は、ダンパ機構が縮み切ってしまうと、それ以上抵抗力が出せない点である。上述のように、直動型ダンパ２０が有する粘性抵抗は速度に比例する。そのため、直動型ダンパ２０は、急な膝折れに大きな抵抗力を発揮するために、大きな速度でピストンを縮める必要がある。直動型ダンパ２０は、膝関節屈曲の単位角度当たりの縮み量が大きい場合、膝が曲がり切る前にダンパが縮み切ってしまう。そのため、大きな抵抗力を発揮するための関節角度範囲は、大きくならない。そのため、適用できる関節角度範囲が狭くなることから、歩行補助装置の利用場面が制限される虞がある。

２つ目の問題は、ダンパ機構が縮小した後の伸長動作に時間がかかる場合があり、伸長を補助する仕組みは粘性力がＯＦＦの時のダンパによる抵抗力を増やしてしまう点である。縮んだダンパは除荷されると、押し戻し用ばね２４によって伸長される。直動型ダンパ２０を用いると、ダンパ機構が伸長してから次に縮小するまでに、抵抗力が生まれない時間が発生してしまう。

上述した２つの問題は、直動型ダンパ２０の仕組みに起因する問題である。そのため、歩行補助装置のダンパ機構に直動型ダンパ２０を用いる限り、これらの問題は避けることができない。そこで、そのような問題を解決することが可能な、以下の実施形態にかかる歩行補助装置１０が見いだされた。

＜実施形態＞
本実施形態にかかる歩行補助装置１０について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態にかかる歩行補助装置１０の構成図である。図２は、本実施形態にかかる歩行補助装置１０の外観を部分的に示す図である。図２に示すように、歩行補助装置１０は、使用者の脚に装着され、使用者の歩行を補助する。

図１に示す歩行補助装置１０は、大腿側リンク部材１１、下腿側リンク部材１２、ロータリダンパ１３、ワンウェイギヤ１４、クラッチ１５、クラッチギヤ１６、及びギヤ１７、１８を備える。大腿側リンク部材１１及び下腿側リンク部材１２は、一対のリンク部材の一例である。

大腿側リンク部材１１は、使用者の大腿部に固定される部材である。下腿側リンク部材１２は、使用者の下腿部に固定される部材である。大腿側リンク部材１１及び下腿側リンク部材１２それぞれの一方の端部は、出力軸ｃにおいて連結されるとともに回転自在に固定される。出力軸ｃは、使用者の膝に対応する箇所に位置する軸である。

ロータリダンパ１３は、大腿側リンク部材１１に固定される。ロータリダンパ１３は、出力軸ｃに対して伝達される抵抗力を発生させる。ロータリダンパ１３が発生させる抵抗力は、出力軸ｃにおける大腿側リンク部材１１及び下腿側リンク部材１２それぞれの回転運動に対する抵抗力である。ロータリダンパ１３は、回転する機構を有し、回転力に対して抵抗力を発生する回転型のダンパである。

ワンウェイギヤ１４は、ロータリダンパ１３が発生した抵抗力が出力軸ｃにかかる方向を制限する。ワンウェイギヤ１４は、ロータリダンパ１３が発生させる抵抗力を、大腿側リンク部材１１及び下腿側リンク部材１２の回転方向のうち一方に制限する。ワンウェイギヤ１４は、出力軸ｃに対して正回転時である膝曲げ時にトルクを伝達し、逆回転時である膝伸ばし時は空転する歯車である。ロータリダンパ１３及びワンウェイギヤ１４は、軸ｃ１に固定される。ワンウェイギヤ１４とギヤ１８とは、噛み合う。そのため、ロータリダンパ１３の抵抗が出力軸ｃに伝達される。

クラッチ１５は、大腿側リンク部材１１又は下腿側リンク部材１２のいずれかにおいて、ロータリダンパ１３による抵抗力の伝達及び遮断を切替える。クラッチ１５は、ロータリダンパ１３が固定される大腿側リンク部材１１とは異なる下腿側リンク部材１２に固定される。なお、図１の例では、ロータリダンパ１３は大腿側リンク部材１１に固定されることとしているが、これに限らず、ロータリダンパ１３を下腿側リンク部材１２に固定することもできる。このとき、クラッチ１５は、大腿側リンク部材１１に固定される。なお、ロータリダンパ１３及びクラッチ１５は、出力軸ｃと軸ｃ１との間のギヤ（数に制約はなし）にクラッチの機能を持たせた場合には、必ずしも異なるリンク部材上になくてもよい。ただし、ここでいうクラッチが、回転と固定とを切り替えるものでかつリンク部材に固定するもの、という定義である場合は、ロータリダンパ１３及びクラッチ１５は、異なるリンク部材に固定する必要がある。

クラッチ１５は、クラッチギヤ１６と噛み合わせることができる。クラッチ１５及びクラッチギヤ１６は、任意に配置される軸ｃ２に固定される。クラッチ１５がクラッチギヤ１６を固定している状態、すなわちクラッチ１５がＯＮであるとき、クラッチギヤ１６と下腿側リンク部材１２の互いの回転を軸ｃ２において固定する。クラッチギヤ１６と、ギヤ１７とは噛み合う。また、ワンウェイギヤ１４は、ギヤ１８と噛み合う。さらに、ギヤ１７とギヤ１８とは、噛み合う。そのため、クラッチ１５がクラッチギヤ１６を固定していない状態、すなわちクラッチ１５がＯＦＦであるとき、クラッチギヤ１６及びギヤ１７、１８は空転する。また、ワンウェイギヤ１４は、軸ｃ１に固定されているため、許可されていない方向へは、トルクを伝えようとするものの、ギヤ１８が空転するため、出力軸ｃにトルクが伝わることはない。

ギヤ１７は、任意に配置される軸ｃ３において回転自在に固定され、ギヤ１８は出力軸ｃにおいて回転自在に固定される。出力軸ｃからみたロータリダンパ１３及びクラッチ１５への減速比はどちらも１より小さい。つまり、出力軸ｃのギヤ１８の１回転に対してロータリダンパ１３又はクラッチ１５の軸は１回転以上に回転する。

歩行補助装置１０は、回転する限り抵抗力を発生し続ける回転型のロータリダンパ１３を、ダンパ機構に採用することによって、直動型ダンパ２０の持つ根本的な問題を回避することができる。クラッチ１５がＯＮの状態のときに、すべてのギヤが大腿側リンク部材１１及び下腿側リンク部材１２に対して固定され、ロータリダンパ１３の抵抗力が出力軸ｃに伝達される。クラッチ１５がＯＦＦの状態のとき、下腿側リンク部材１２の回転によってはロータリダンパ１３の出力軸ｃ１を回転させないため、抵抗力は発生しない。

クラッチ１５のＯＮ、ＯＦＦに関わらず、膝の運動がワンウェイギヤ１４の空転方向の回転を生むときにはロータリダンパ１３に回転力が伝わらず抵抗力は発生しない。ワンウェイギヤ１４の方向とギヤの数を適切に配置することによって、クラッチ１５が取り得る状態と発生する抵抗力との関係は表１のとおりとなる。表１に示すように、クラッチ１５がＯＮの時は、ワンウェイギヤ１４を介して出力軸ｃに抵抗が伝達されるため、膝曲げ時に抵抗が発生する。膝伸ばし時には、ワンウェイギヤ１４が空転するため、クラッチ１５のＯＮ、ＯＦＦに関わらず、出力軸ｃに抵抗は発生しない。

表１に示される挙動によれば、歩行補助装置１０は、歩行中の立脚の際に膝が曲がることを阻害し、それ以外のタイミングにおいては抵抗がない状態となるように機能する。

上述のように、歩行補助装置１０は、回転型のロータリダンパ１３を用いるため、直動型ダンパ２０におけるような伸縮範囲による抵抗力発生範囲の制約を無くすことができる。そのため、歩行補助装置１０は、より多彩な使用状況に対応可能となる。

また、ロータリダンパ１３は、関節角度に依らず抗力を発生できるため、抵抗力が要求される膝角度に制限がない。このことは、直動型ダンパ２０が有する、ダンパ機構が縮み切ってしまうとそれ以上抵抗力を発揮できない、という１つ目の問題を解決する。さらに、出力軸ｃからロータリダンパ１３への減速比が１より小さいので、膝関節の角速度以上の速さでロータリダンパ１３が回るため大きな粘性抵抗が出力軸ｃに伝達される。出力軸ｃに伝達された抵抗力は、１を超える減速比で伝えられるため、より大きく発揮される。このことから、小型軽量のロータリダンパ１３を用いても大きな抵抗力を発揮することができる。

また、ロータリダンパ１３とワンウェイギヤ１４の組み合わせによって、逆回転の場合には抵抗力を発生しないので、膝伸展時は無抗力となる。また、直後の膝屈曲に対してロータリダンパ１３はどの角度からでも抵抗力を発生させるため即座に抵抗力が出力軸ｃに伝達される。このことは、直動型ダンパ２０が有する、ダンパ機構が伸長してから次に縮小するまでに、抵抗力が生まれない時間が発生してしまう、という２つ目の問題を解決する。

なお、クラッチ１５による抵抗力の伝達及び遮断、すなわち抵抗力発生のＯＮ及びＯＦＦの切替えを制御する、図示しない制御部を用いてもよい。制御部によるクラッチ１５のＯＮ及びＯＦＦの判定が遅れたとしても、ワンウェイギヤ１４の効果によって膝の伸展を阻害することはない。この点は直動型ダンパ２０を用いた場合と同様に担保されている。制御部は、使用者の歩くリズム、すなわち膝の動きに応じた角度の変化と脛の動きに基づいたタイミングによって、クラッチ１５のＯＮ及びＯＦＦを切替えてもよい。

また、図１の例では、ワンウェイギヤ１４はロータリダンパ１３の軸に配置しているが、これに限らず、クラッチ１５の軸に配置してもよい。ワンウェイギヤ１４をクラッチ１５の軸に設置した場合、ロータリダンパ１３が発生させる抵抗力とクラッチ１５の担う保持抗力のうち後者が小さいならば、ワンウェイギヤ１４の軸受けとしては、より許容トルクの小さな軸受けを選択できる。そのため、歩行補助装置１０の小型化や低コスト化を図ることが可能となる。また、歩行補助装置１０は膝に用いるように説明したが、膝に限らず、肘や腰などの関節の運動に抵抗力を発揮させる装置として用いることもできる。

以上、本発明を上記の実施形態に即して説明したが、本発明は上記の実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１０歩行補助装置
１１大腿側リンク部材
１２下腿側リンク部材
１３ロータリダンパ
１４ワンウェイギヤ
１５クラッチ
１６クラッチギヤ
１７，１８ギヤ

Claims

使用者の脚に装着され、前記使用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、
前記使用者の膝に対応する箇所に位置する出力軸において回転自在に連結される一対のリンク部材であって、一方が前記使用者の大腿側に固定され、他方が前記使用者の下腿側に固定される一対のリンク部材と、
前記出力軸に対して伝達される抵抗力であって、前記出力軸における前記一対のリンク部材の回転運動に対する抵抗力を発生させるロータリダンパと、
前記ロータリダンパが発生させる前記抵抗力を、前記一対のリンク部材の回転方向のうち一方に制限するワンウェイギヤと、
前記ロータリダンパによる前記抵抗力の伝達及び遮断を切替えるクラッチと、
を備える、
歩行補助装置。
前記クラッチによる前記抵抗力の伝達及び遮断の切替えを制御する制御部をさらに備える、
請求項１に記載の歩行補助装置。
前記ロータリダンパ及び前記クラッチは、前記出力軸を挟んで別々の方向に配置される、
請求項１又は２に記載の歩行補助装置。
前記出力軸からみた前記ロータリダンパ及び前記クラッチへの減速比は、１よりも小さい、
請求項１から３のいずれか１項に記載の歩行補助装置。
前記クラッチは、前記出力軸を通るギヤの回転を固定することで、前記抵抗力を伝達する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の歩行補助装置。