JP3716417B2

JP3716417B2 - Joint drive device

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Publication number: JP3716417B2
Application number: JP28798095A
Authority: JP
Inventors: 正志近藤; 研司松熊; 泰輔榊; 一郎石橋
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1995-10-09
Filing date: 1995-10-09
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2015-10-09
Also published as: JPH0999021A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、手術前後に用いられる連続受動（他動）運動装置（ＣＰＭ装置）、肢体の機能を回復するために用いられるリハビリテーション支援装置及び、トレーニング装置等の関節駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、手術前後または他の障害により、関節部が拘縮をおこし、またはそのおそれがある場合にその改善を目的として用いる連続受動運動装置（ＣＰＭ装置）、筋力の低下した肢体の機能を回復するために用いられるリハビリテーション支援装置及び、トレーニング装置などの、関節を中心にして外部から機械的に肢体を駆動したり、関節の動きに負荷をかけたりする装置として、多数の機構が提案されている。これらの従来の関節駆動装置を大きく分類すると、肢体関節の１回転自由度に対し装置の１駆動自由度を対応させる場合と、肢体関節の１回転自由度に対し装置の複数の駆動自由度を対応させる場合（特願平６−１４３８３７）に分けられる。さらに、肢体関節の１回転自由度に対し装置の１駆動自由度を対応させる場合は、回転駆動部の回転軸を関節の回転軸と一致する位置に配置したり、回転駆動部の回転軸を関節の回転軸からずらして配置し、ずらして配置したことによって生じる装着部での肢体と機器とのズレをスライド機構等を使って逃がすというように、装置の駆動により目的の関節のみを駆動する場合と、装置の駆動により複数の関節を同時に駆動しながら目的の関節を駆動する場合とがある。
【０００３】
肢体関節の１回転自由度に対し装置の１駆動自由度を対応させる場合の従来例について、図２、図３、図４および図５を参照しながら説明する。
【０００４】
図２は、装置の駆動により目的の関節のみを駆動する場合で、回転駆動部の回転軸を関節の回転軸と一致する位置に配置した従来例である。関節駆動装置２００には、基台２０１と、この基台２０１上の回転駆動部２０２と、回転駆動部２０２から伸びるリンク部材２０３が備えられている。リンク部材２０３は、基台２０１に対して回転駆動部２０２の回転軸を中心に回転するようになっている。リンク部材２０３には装着部２０７が付いており、リンク部材２０３を装着部２０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置２００は、回転駆動部２０２の回転軸を、駆動したい関節の回転軸に一致するように配置しているため、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部２０２が回転すると、その回転力は、リンク部材２０３を経て肢体に伝えられ、肢体を駆動したい関節を中心にして、リンク部材２０３と共に動かすことで、関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。
【０００５】
図３は、装置の駆動により目的の関節のみを駆動する場合で、回転駆動部の回転軸を関節の回転軸からずらして配置し、ずらして配置したことによって生じる装着部での肢体と機器とのズレをスライド機構を使って逃がした従来例である。関節駆動装置３００には、基台３０１と、この基台３０１上の回転駆動部３０２と、回転駆動部３０２から伸びるリンク部材３０３が備えられている。リンク部材３０３は、基台３０１に対して回転駆動部３０２の回転軸を中心に回転するようになっている。リンク部材３０３には、フリー回転部３０６とスライド機構部３１０を介して装着部３０７が付いており、リンク部材３０３を装着部３０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置３００は、回転駆動部３０２の回転軸を、駆動したい関節の回転軸からずらして配置し、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部３０２が回転すると、リンク部材３０３は回転駆動部３０２の回転軸を中心にして回転する。回転機構部３０２の回転軸と駆動したい関節の回転軸とを、ずらして配置したことによって生じる装着部３０７でのズレをスライド機構３１０で受けることにより、リンク部材３０３の動きは、フリー回転部３０６とスライド機構部３１０を経て肢体に伝えられ、肢体を駆動したい関節を中心にして動かすことで、関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。
【０００６】
図４は、装置の駆動により複数の関節を同時に駆動しながら目的の関節を駆動する場合で、膝関節用の関節駆動装置として各種実用化されているものである。関節駆動装置４００には、基台４０１と、この基台４０１上の直動駆動部４０２と、直動駆動部４０２から伸びる第１リンク部材４０３が備えられている。第１リンク部材４０３は、基台４０１に対して直動駆動部４０２のガイドにそって直線的に駆動するようになっている。また、基台４０１の前方には、下端がヒンジ連結されたくの字状リンク部材４１３が取り付けられており、くの字状リンク部材４１３は、第２フリー回転部４１２、第２リンク部材４１１を介して装着部４０７に連結されている。第１リンク部材４０３及び第２リンク部材４１１には、第１フリー回転部４０６を介して装着部４０７が付いており、第１リンク部材４０３及び第２リンク部材４１１を装着部４０７により下腿部に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置４００は、（図示していない）アクチュエータによって、直動駆動部４０２がベースフレーム長手方向に駆動することによって、直動駆動部４０２が駆動すると、第１リンク部材４０３は直動駆動部４０２のガイドにそって駆動する。第１リンク部材４０３の動きは、第１フリー回転部４０６と装着部４０７を経て下腿部に伝えられ、下腿部を臀部に対して近付けたり遠ざけたりして、膝関節と股関節を同時に動かすことで、目的の関節である膝関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。
【０００７】
図５も、装置の駆動により複数の関節を同時に駆動しながら目的の関節を駆動する場合で、膝関節用の関節駆動装置として実開平６−５８９３７で提案されているものである。関節駆動装置５００には、基台５０１と、この基台５０１上の回転駆動部５０２と、回転駆動部５０２から伸びる第１リンク部材５０３が備えられている。第１リンク部材５０３は、基台５０１に対して回転駆動部５０２の回転軸を中心に回転するようになっている。また、基台５０１上には、第３リンク部材５１１が第３フリー回転部５１４を介して、第１リンク部材５０３と平行に取り付けられている。第１リンク部材５０３には第１フリー回転部５０４を介して、第３リンク部材５１１には第２フリー回転部５１２を介して、第２リンク部材５０５が連結されいる。第２リンク部材５０５には装着部５０７が付いており、第１リンク部材５０３及び第３リンク部材５１１を装着部５０７により下腿部に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置５００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部５０２が回転すると、第１リンク部材５０３が回転駆動部５０２の回転軸を中心にして回転するとともに、第３リンク部材５１１は第１リンク部材５０３と平行に動き、第２リンク部材５０５は、基台５０１に平行に駆動する。また、第１リンク部材５０３の動きは、第１フリー回転部５０４と第２リンク部材５０５を経て下腿部に伝えられ、下腿部を基台５０１に対して平行に保ちながら動かして、膝関節と股関節を同時に動かすことで、目的の関節である膝関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。次に、肢体関節の１回転自由度に対し装置の複数の駆動自由度を対応させる場合の従来例について、図６を参照しながら説明する。関節駆動装置６００には、基台６０１と、この基台６０１上の第１回転駆動部６０２と、第１回転駆動部６０２から伸びる第１リンク部材６０３が備えられている。第１リンク部材６０３は、基台６０１に対して第１回転駆動部６０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材６０３には第２回転駆動部６０４を介して第２リンク部材６０５が連結されており、第２回転駆動部６０４の駆動により、第２リンク部材６０５は第１リンク部材６０３に対して、第２回転駆動部６０４の回転軸を中心にして回転するようになっている。更に、第２リンク部材６０５には第３回転駆動部６０６を介して第３リンク部材６１１が連結されており、第３回転駆動部６０６の駆動により、第３リンク部材６１１は第２リンク部材６０５に対して、第３回転駆動部６０６の回転軸を中心にして回転するようになっている。第３リンク部材６１１には固定部６１２を介して、装着部６０７が取り付けられており、リンク部材６１１を装着部６０７により下腿部に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置６００は、（図示していない）アクチュエータによって第１回転駆動部６０２、第２回転駆動部６０４及び第３回転駆動部６０６が回転すると、第１リンク部材６０３は、基台６０１に対し第１回転駆動部６０２の回転軸を中心に、第２リンク部材６０５は、第１リンク部材６０３に対し第２回転駆動部６０４の回転軸を中心に、第３リンク部材６１１は、第２リンク部材６０５に対し第３回転駆動部６０６の回転軸を中心にそれぞれ駆動する。また、第３リンク部材６１１の動きは、固定部６１２を経て下腿部に伝えられ、下腿部を平面内で任意に駆動して、膝関節と股関節を同時に動かすことで、目的の関節である膝関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。
ここでは、装置の駆動により膝関節と股関節を同時に駆動しながら目的の膝関節を駆動する例を示したが、膝関節のみを駆動する場合は、第１回転駆動部６０２を大腿部に取り付ける構成にすればよい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、肢体関節の１回転自由度に対し装置の１駆動自由度を対応させる場合の従来例において、関節駆動装置２００のように回転駆動部の回転軸と関節の回転軸とを一致させて関節を駆動しようとした場合、回転駆動部の位置は駆動したい関節の回転軸上に限定されるため、例えば指の関節を駆動しようとする場合、指と指の間に回転駆動部がくるために違和感を生じたり、左右の脚に共通に使える装置を設計する場合、装着部を左右の脚に応じて交換したり、機器をひっくり返しても使えるようにするなどの工夫が必要で、その構成に制約を受けて設計がやりずらい。関節駆動装置３００のようにスライド機構を使った場合、回転駆動部は、駆動したい関節の回転軸によらず任意の位置に設定できるが、駆動したい関節と回転駆動部との距離が大きくなると、一定の駆動範囲を得るためにはスライド機構部を長くする必要がある。また、逆にスライド機構の長さを限定すると、駆動したい関節の駆動範囲が狭くなる。関節駆動装置４００や関節駆動装置５００のように、複数の関節を同時に駆動する場合は、関節駆動装置の駆動部で発生する力が複数の関節に分散されるため、駆動したい目的の関節にどのくらいの負荷がかかるのかわからず、負荷をかけ過ぎたり逆にかからなかったりするおそれがある。また、複数の関節を同時に駆動するため装着時のズレを生じ易く、目的の関節の関節角を知りたい場合は、特表平４−５０６６１０のように駆動部を関節の回転軸と一致するようにしたり、実開平６−５８９３７のようにゴニオメータにより測定したりする必要があるという問題があった。
また、肢体関節の１回転自由度に対し装置の複数の駆動自由度を対応させる場合の従来例については、駆動したい関節１つについて、複数のアクチュエータを必要とするため、装置自体が大がかりなものとなったり、複数の駆動部を協調させて駆動するため、複雑な計算を必要とするという問題があった。
この発明は、こうした従来の技術が持つ問題点を解消するためになされたものであり、簡単な機構で複雑な計算を必要とせずに、回転駆動部を駆動したい関節の回転軸にかかわらず任意の位置に設定でき、関節の駆動範囲を損なわずに、駆動したい関節を無理なく駆動することができる関節駆動装置の提供を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の発明は、アクチュエータにより駆動される回転駆動部と、第１の回転機構部と、第２の回転機構部と、前記第２の回転機構部に付設され肢体の関節の相隣合う肢体の少なくとも一方に装着可能な装着部とを備え、
前記回転駆動部と、前記第１および第２の回転機構部は、前記回転駆動部、前記第１の回転機構部、第２の回転機構部、前記肢体の関節、前記回転駆動部の順に辿ると、それらの各回転軸が四辺形をなすように連結して配置され、
前記第１の回転機構部は前記回転駆動部の回転軸を中心とした円弧上を動作し、前記第２の回転機構部は前記肢体の関節の回転軸を中心とした円弧上を動作することを特徴とする関節駆動装置とするものである。
請求項２の発明は、前記第１および第２の回転機構部は、前記回転駆動部の駆動により受動的に回転するフリー回転部であることを特徴とするものである。
請求項３の発明は、前記第１の回転機構部は、前記回転駆動部に連動して回転する連動駆動部であり、前記第２の回転機構部は、前記回転駆動部および前記連動駆動部の駆動により受動的に回転するフリー回転部であることを特徴とするものである。
請求項４の発明は、前記回転駆動部と、前記２つのフリー回転部は、前記回転駆動部、前記第１のフリー回転部、前記第２のフリー回転部、前記肢体の関節、前記回転駆動部の順に辿ると、それらの各回転軸が平行四辺形をなすように連結して配置されたことを特徴とするものである。
請求項５の発明は、前記回転駆動部と前記連動駆動部と前記フリー回転部は、前記回転駆動部、前記連動駆動部、前記フリー回転部、前記肢体の関節、前記回転駆動部の順に辿ると、それらの各回転軸が平行四辺形をなすように連結して配置されたことを特徴とするものである。
請求項６の発明は、前記回転駆動部と前記第１および第２の回転機構部は、各々の間の距離を調節可能であることを特徴とするものである。
請求項７の発明は、前記肢体の関節の回転軸が前記平行四辺形の頂点からずれた場合、そのずれを吸収し、前記平行四辺形を維持する機構を備えたことを特徴とするものである。
請求項８の発明は、前記回転駆動部を駆動する前記アクチュエータとして電動機を用い、
前記電動機の回転角度または回転速度を計測する手段と、
前記装着部を装着した肢体からの作用力を計測する手段と、
前記電動機の回転角度または回転速度を制御する手段と、
運動教示時において前記装着部を前記肢体に装着した状態でインピーダンス制御を行う手段と、
前記インピーダンス制御を行っている間、一定周期ごとに前記回転角度を保存するメモリと、運動再現時において前記メモリに保存された前記回転角度を平衡点とするインピーダンス制御により教示した運動および力を再現する手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
【作用】
上記手段により、アクチュエータ１つで、装着部でのリンクと肢体のズレを生じずに、駆動したい関節を任意の位置の回転駆動部により駆動することができるので、駆動範囲を損なわずに、肢体の関節に無理な負荷をかけることなく、簡単な構成で複数の関節に適応可能な関節駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明を膝関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１００には、基台１０１と、この基台１０１上の回転駆動部１０２と、回転駆動部１０２から伸びる第１リンク部材１０３が備えられている。第１リンク部材１０３は、基台１０１に対して回転駆動部１０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１０３には第２リンク部材１０５が連結されており、第１リンク部材１０３と第２リンク部材１０５の連結部には、第１回転機構部１０４が取り付けられている。第１回転機構部１０４は回転駆動部１０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１０５は第１リンク部材１０３に対して、第１回転機構部１０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１０５には第２回転機構部１０６を介して、装着部１０７が付いており、第２リンク部材１０５を装着部１０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１０２が回転すると、回転駆動部１０２の回転力は、第１リンク部材１０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１０２が駆動すると、肢体は膝関節１０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、膝関節１０９を駆動することができる。
【００１２】
図７は本発明を膝関節に適用した別の実施例を示す側面図である。関節駆動装置７００には、基台７０１と、この基台７０１上の回転駆動部７０２と、回転駆動部７０２から伸びる第１リンク部材７０３が備えられている。第１リンク部材７０３は、基台７０１に対して回転駆動部７０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材７０３には第２リンク部材７０５が連結されており、第１リンク部材７０３と第２リンク部材７０５の連結部には、第１回転機構部７０４が取り付けられている。第１回転機構部７０４は回転駆動部７０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材７０５は第１リンク部材７０３に対して、第１回転機構部７０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材７０５には第２回転機構部７０６を介して、装着部７０７が付いており、第２リンク部材７０５を装着部７０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置７００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部７０２が回転すると、回転駆動部７０２の回転力は、第１リンク部材７０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部７０２が駆動すると、肢体は膝関節７０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、膝関節７０９を駆動することができる。
【００１３】
図９は本発明を股関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置９００には、基台９０１と、この基台９０１上の回転駆動部９０２と、回転駆動部９０２から伸びる第１リンク部材９０３が備えられている。第１リンク部材９０３は、基台９０１に対して回転駆動部９０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材９０３には第２リンク部材９０５が連結されており、第１リンク部材９０３と第２リンク部材９０５の連結部には、第１回転機構部９０４が取り付けられている。第１回転機構部９０４は回転駆動部９０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材９０５は第１リンク部材９０３に対して、第１回転機構部９０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材９０５には第２回転機構部９０６を介して、装着部９０７が付いており、第２リンク部材９０５を装着部９０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置９００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部９０２が回転すると、回転駆動部９０２の回転力は、第１リンク部材９０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部９０２が駆動すると、肢体は股関節９０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、股関節９０９を駆動することができる。
【００１４】
図１０は本発明を足関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１０００には、基台１００１と、この基台１００１上の回転駆動部１００２と、回転駆動部１００２から伸びる第１リンク部材１００３が備えられている。第１リンク部材１００３は、基台１００１に対して回転駆動部１００２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１００３には第２リンク部材１００５が連結されており、第１リンク部材１００３と第２リンク部材１００５の連結部には、第１回転機構部１００４が取り付けられている。第１回転機構部１００４は回転駆動部１００２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１００５は第１リンク部材１００３に対して、第１回転機構部１００４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１００５には第２回転機構部１００６を介して、装着部１００７が付いており、第２リンク部材１００５を装着部１００７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１０００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１００２が回転すると、回転駆動部１００２の回転力は、第１リンク部材１００３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１００２が駆動すると、肢体は足関節１００９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、足関節１００９を駆動することができる。
【００１５】
図１１は本発明を肩関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１１００には、基台１１０１と、この基台１１０１上の回転駆動部１１０２と、回転駆動部１１０２から伸びる第１リンク部材１１０３が備えられている。第１リンク部材１１０３は、基台１１０１に対して回転駆動部１１０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１１０３には第２リンク部材１１０５が連結されており、第１リンク部材１１０３と第２リンク部材１１０５の連結部には、第１回転機構部１１０４が取り付けられている。第１回転機構部１１０４は回転駆動部１１０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１１０５は第１リンク部材１１０３に対して、第１回転機構部１１０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１１０５には第２回転機構部１１０６を介して、装着部１１０７が付いており、第２リンク部材１１０５を装着部１１０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１１００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１１０２が回転すると、回転駆動部１１０２の回転力は、第１リンク部材１１０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１１０２が駆動すると、肢体は肩関節１１０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、肩関節１１０９を駆動することができる。
【００１６】
図１２は本発明を肘関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１２００には、基台１２０１と、この基台１２０１上の回転駆動部１２０２と、回転駆動部１２０２から伸びる第１リンク部材１２０３が備えられている。第１リンク部材１２０３は、基台１２０１に対して回転駆動部１２０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１２０３には第２リンク部材１２０５が連結されており、第１リンク部材１２０３と第２リンク部材１２０５の連結部には、第１回転機構部１２０４が取り付けられている。第１回転機構部１２０４は回転駆動部１２０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１２０５は第１リンク部材１２０３に対して、第１回転機構部１２０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１２０５には第２回転機構部１２０６を介して、装着部１２０７が付いており、第２リンク部材１２０５を装着部１２０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１２００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１２０２が回転すると、回転駆動部１２０２の回転力は、第１リンク部材１２０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１２０２が駆動すると、肢体は肘関節１２０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、肘関節１２０９を駆動することができる。
【００１７】
図１３は本発明を手首関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１３００には、基台１３０１と、この基台１３０１上の回転駆動部１３０２と、回転駆動部１３０２から伸びる第１リンク部材１３０３が備えられている。第１リンク部材１３０３は、基台１３０１に対して回転駆動部１３０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１３０３には第２リンク部材１３０５が連結されており、第１リンク部材１３０３と第２リンク部材１３０５の連結部には、第１回転機構部１３０４が取り付けられている。第１回転機構部１３０４は回転駆動部１３０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１３０５は第１リンク部材１３０３に対して、第１回転機構部１３０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１３０５には第２回転機構部１３０６を介して、装着部１３０７が付いており、第２リンク部材１３０５を装着部１３０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１３００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１３０２が回転すると、回転駆動部１３０２の回転力は、第１リンク部材１３０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１３０２が駆動すると、肢体は手首関節１３０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、手首関節１３０９を駆動することができる。
【００１８】
図１４は本発明を指関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１４００には、基台１４０１と、この基台１４０１上の回転駆動部１４０２と、回転駆動部１４０２から伸びる第１リンク部材１４０３が備えられている。第１リンク部材１４０３は、基台１４０１に対して回転駆動部１４０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１４０３には第２リンク部材１４０５が連結されており、第１リンク部材１４０３と第２リンク部材１４０５の連結部には、第１回転機構部１４０４が取り付けられている。第１回転機構部１４０４は回転駆動部１４０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１４０５は第１リンク部材１４０３に対して、第１回転機構部１４０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１４０５には第２回転機構部１４０６を介して、装着部１４０７が付いており、第２リンク部材１４０５を装着部１４０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１４００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１４０２が回転すると、回転駆動部１４０２の回転力は、第１リンク部材１４０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１４０２が駆動すると、肢体は指関節１４０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、指関節１４０９を駆動することができる。
上記の実施例では、膝関節、股関節、足関節、肩関節、肘関節、手首関節、指関節に適応した場合について述べたが、同様にして股、肩、手首の関節の違う自由度や指の別の関節及び胴体の前屈運動や首等にも適応することができる。
上記の実施例では、基台から回転駆動部、第１回転機構部、第２回転機構部の順で肢体に連結される例を述べたが、第２回転機構部が基台側でも良く、順番は任意に構成することができる。また、リンクの形状は直線である必要はなく任意の形状で構成できる。
【００１９】
請求項２の関節駆動装置については、請求項１の回転機構部をフリー回転部に置き換えれば良い。請求項２の関節駆動装置は、構造が簡単であるためリンク調節機能等を負荷することが容易であり、また、装着位置が多少ずれてもフリー回転部２つで吸収できる。
請求項３の関節駆動装置については、請求項１の回転機構部の一方を回転駆動部に連動して回転する連動駆動部に、もう一方をフリー回転部に置き換えれば良い。連動駆動部は、回転駆動部の駆動をベルト、チェーン、シャフト、ハイポイドギアなどで伝える構成や複数のギアやリンクの組合せで容易に構成することが可能である。請求項３の関節駆動装置は、回転駆動部の駆動に連動して駆動する連動駆動部を設けているため、負荷側からの力に強い構成となる。
請求項４の関節駆動装置については、請求項２記載の装置において、回転駆動部とふたつのフリー回転部の各回転軸が、肢体の関節の回転軸に対して平行四辺形をなすように配置すればよい。
請求項５の関節駆動装置については、請求項３記載の装置において、回転駆動部と連動駆動部とフリー回転部の各回転軸が、肢体の関節の回転軸に対して平行四辺形をなすように配置すればよい。
【００２０】
図８は、請求項４及び請求項５を説明するための図であり、図７の本発明の実施例を回転駆動部とふたつの回転機構部が、肢体の関節の回転軸に対して平行四辺形をなすようにしたものである。図８からわかるように、請求項４及び請求項５の関節駆動装置は、３つの回転部を肢体の関節に対して平行四辺形をなすように配置しているため、回転駆動部８０２の回転角と肢体関節８０９の回転角が一致する。このため、肢体関節を１８０゜スムーズに回転することができ、また、回転駆動部の回転角を計測することで容易に肢体関節の回転角を知ることができる。請求項６の関節駆動装置について述べる。請求項６の関節駆動装置は、請求項１記載の装置において、各回転部間の距離を調節可能にしたもので、これにより装着部の取り付け位置や本装置と肢体との距離を変えることができるため、肢体の個人差等への対応が可能となる。また、複数の関節へ適応可能な機器の作成が可能となる。請求項７の関節駆動装置について図１５を参照しながら述べる。請求項７の関節駆動装置は、請求項４および請求項５記載の装置において、関節が平行四辺形の位置からずれた場合のズレを吸収する機構を備えたもので、図（ａ）の実施例は、ズレを吸収するためのスライド機構を付けたもの、図（ｂ）の実施例は、装着部での固定を緩めて装着部と肢体とが滑べることによりズレを吸収するもの、図（ｃ）の実施例は、リンクの一部にスプリングを設けこれによりズレを吸収するものである。本発明によれば、装着部において機構的にズレを生じることはない。しかし、装置の装着の仕方、個人差によるズレや、関節が厳密には１点を中心にして回転するのではなく姿勢により回転中心が変わることから、装着部において微小なズレを生ずることがある。請求項７の関節駆動装置はこの微小なズレを吸収する機構を備えたものである。
【００２１】
以上述べた本発明の機構は、本出願人が特願平６−１５９４１４号として提案している連続受動運動装置に適用することができる。
ここでは、本発明の図１に示した実施例に組み合わせた例を説明する。
すなわち、図１６に示すように、能動的に回転可能な回転駆動部１０２を電動機１６０１で駆動するようにし、その回転角度（位置）または回転速度を計測する手段である回転検出器１６０２と、動く側の装着部（ここでは足首側１０７）に取り付けられ肢体からの作用力を計測する力センサ１６０３と、前記電動機の回転角度または回転速度を制御する手段である電動機制御部１６０４と、教示中にインピーダンス制御を行っている間は一定周期ごとに前記回転角度をストアするメモリ１６０５と、運動状態教示時には前記関節駆動装置に肢体を取付けた状態でインピーダンス制御を行うとともに、治療時には前記メモリに保存された前記回転角度を平衡点とするインピーダンス制御により教示した運動および力を再現するインピーダンス制御部１６０６とを付加すればよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば機構が簡単で装置の制御に複雑な計算を必要としないため、設計が楽で、装置を安価で軽量なものにすることができる。また、構成に制約を受けないため、複数の関節に汎用に使用可能できる装置の提供が可能である。更に駆動したい関節を、直接駆動することが可能なため、肢体の関節に無理な負荷をかけずに駆動でき、しかも装置の装着位置と装置の駆動部の回転角度から、肢体の関節の角度を容易に推定することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を膝関節に適用した実施例を示す側面図
【図２】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図３】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図４】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図５】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図６】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図７】本発明を膝関節に適用した別の実施例を示す側面図
【図８】請求項４及び請求項５を説明するための図
【図９】本発明を股関節に適用した実施例を示す側面図
【図１０】本発明を足関節に適用した実施例を示す側面図
【図１１】本発明を肩関節に適用した実施例を示す側面図
【図１２】本発明を肘関節に適用した実施例を示す側面図
【図１３】本発明を手首関節に適用した実施例を示す側面図
【図１４】本発明を指関節に適用した実施例を示す側面図
【図１５】請求項７のズレを吸収する機構を説明する図
【図１６】本発明の実施例の制御ブロック図
【符号の説明】
１００：本発明を膝関節に適用した実施例による関節駆動装置
２００、３００、４００、５００、６００：関節駆動装置
７００：本発明を膝関節に適用した別の実施例による関節駆動装置
９００：本発明を股関節に適用した実施例による関節駆動装置
１０００：本発明を足関節に適用した実施例による関節駆動装置
１１００：本発明を肩関節に適用した実施例による関節駆動装置
１２００：本発明を肘関節に適用した実施例による関節駆動装置
１３００：本発明を手首関節に適用した実施例による関節駆動装置
１４００：本発明を指関節に適用した実施例による関節駆動装置
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１：基台
９０１、１００１、１１０１、１２０１、１３０１、１４０１：基台
１０２、２０２、３０２、５０２、７０２、８０２、９０２：回転駆動部
１００２、１１０２、１２０２、１３０２、１４０２：回転駆動部
４０２：直動駆動部
６０２：第１回転駆動部
６０４：第２回転駆動部
６０６：第３回転駆動部
１０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３、９０３：第１リンク部材
１００３、１１０３、１２０３、１３０３、１４０３：第１リンク部材
１０４、７０４、８０４、９０４、１００４、１１０４：第１回転機構部
１２０４、１３０４、１４０４：第１回転機構部
１０５、４１１、５０５、６０５、７０５、８０５、９０５：第２リンク部材
１００５、１１０５、１２０５、１３０５、１４０５：第２リンク部材
５１１、６１１：第３リンク部材
１０６、７０６、８０６、９０６、１００６、１１０６：第２回転機構部
１２０６、１３０６、１４０６：第２回転機構部
３０６、４０６、５０６、６０６：フリー回転部
４０６、５０４：第１フリー回転部
４１２、５１２：第２フリー回転部
４１３：くの字状リンク部材
６１２：固定部
１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７、７０７、８０７：装着部
９０７、１００７、１１０７、１２０７、１３０７、１４０７：装着部
２０３、３０３：リンク部材
３１０：スライド機構
１０９、２０９、３０９、４０９、５０９、６０９、７０９、８０９：膝関節
９０９：股関節
１００９：足関節
１１０９：肩関節
１２０９：肘関節
１３０９：手首関節
１４０９：指関節[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a continuous passive (passive motion) exercise device (CPM device) used before and after surgery, a rehabilitation support device used to restore the function of a limb, and a joint drive device such as a training device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a continuous passive exercise device (CPM device) used for the purpose of improvement when the joint portion contracts or is likely to be contracted before or after the operation or due to other obstacles, and recovers the function of the limb with reduced muscle strength. Numerous mechanisms have been proposed as devices for mechanically driving the limbs from the outside centering on the joints and for applying a load to the joint movement, such as rehabilitation support devices and training devices used for the purpose. . When these conventional joint drive devices are roughly classified, one drive freedom degree of the device corresponds to one degree of freedom of rotation of the limb body joint, and a plurality of drive freedom degrees of the device is set to one degree of freedom of rotation of the limb body joint. This is divided into cases (Japanese Patent Application No. 6-143837). Further, when the one degree of freedom of rotation of the device is made to correspond to one degree of freedom of rotation of the limb joint, the rotation axis of the rotation drive unit is arranged at a position coincident with the rotation axis of the joint, Only the target joint is driven by driving the device so that the displacement between the limbs and the device at the mounting part caused by the displacement is shifted using the slide mechanism etc. There are cases where the target joint is driven while simultaneously driving a plurality of joints by driving the apparatus.
[0003]
A conventional example in which one degree of freedom of driving of the apparatus is made to correspond to one degree of freedom of rotation of the limb joints will be described with reference to FIGS. 2, 3, 4, and 5.
[0004]
FIG. 2 shows a conventional example in which only the target joint is driven by driving the device, and the rotation axis of the rotation drive unit is arranged at a position coincident with the rotation axis of the joint. The joint driving device 200 includes a base 201, a rotation driving unit 202 on the base 201, and a link member 203 extending from the rotation driving unit 202. The link member 203 is configured to rotate about the rotation axis of the rotation drive unit 202 with respect to the base 201. The link member 203 is provided with a mounting portion 207 so that the link member 203 can be attached to the limb by the mounting portion 207.
Since the joint drive device 200 configured as described above is arranged so that the rotation axis of the rotation drive unit 202 coincides with the rotation axis of the joint to be driven, the rotation drive unit is driven by an actuator (not shown). When 202 rotates, the rotational force is transmitted to the limbs via the link member 203, and the joint is moved as shown in (a) and (b) by moving together with the link member 203 around the joint to drive the limb. Can be driven.
[0005]
FIG. 3 shows a case in which only the target joint is driven by driving the device, and the rotation axis of the rotation drive unit is shifted from the rotation axis of the joint, and the limbs and devices in the mounting unit that are generated by the shift arrangement This is a conventional example in which the deviation is escaped using a slide mechanism. The joint driving device 300 includes a base 301, a rotation driving unit 302 on the base 301, and a link member 303 extending from the rotation driving unit 302. The link member 303 rotates with respect to the base 301 around the rotation axis of the rotation drive unit 302. The link member 303 is provided with an attachment portion 307 via a free rotating portion 306 and a slide mechanism portion 310, and the link member 303 can be attached to the limb by the attachment portion 307.
In the joint drive device 300 configured as described above, the rotation axis of the rotation drive unit 302 is arranged to be shifted from the rotation axis of the joint to be driven, and when the rotation drive unit 302 is rotated by an actuator (not shown), The link member 303 rotates around the rotation axis of the rotation drive unit 302. When the slide mechanism 310 receives a shift in the mounting portion 307 caused by shifting the rotation shaft of the rotation mechanism portion 302 and the rotation shaft of the joint to be driven, the free rotation portion 306 moves. The joints can be driven as shown in (a) and (b) by moving the limbs around the joints to be driven through the slide mechanism 310.
[0006]
FIG. 4 shows a case where a target joint is driven while simultaneously driving a plurality of joints by driving the device, and various types of joint drive devices for knee joints have been put into practical use. The joint driving device 400 includes a base 401, a linear motion drive unit 402 on the base 401, and a first link member 403 extending from the linear motion drive unit 402. The first link member 403 is linearly driven along the guide of the linear motion drive unit 402 with respect to the base 401. In addition, a dogleg-shaped link member 413 whose lower end is hinged is attached to the front of the base 401, and the dogleg-shaped link member 413 includes a second free rotating portion 412 and a second link member 411. It is connected to the mounting portion 407 through the connector. The first link member 403 and the second link member 411 are provided with a mounting portion 407 via a first free rotating portion 406, and the first link member 403 and the second link member 411 are attached to the lower leg portion by the mounting portion 407. Can be attached to.
The joint drive device 400 configured as described above has a first link when the linear motion drive unit 402 is driven by the linear motion drive unit 402 being driven in the longitudinal direction of the base frame by an actuator (not shown). The member 403 is driven along the guide of the linear drive unit 402. The movement of the first link member 403 is transmitted to the lower leg through the first free rotation part 406 and the mounting part 407, and moves the knee joint and the hip joint simultaneously by moving the lower leg closer to or away from the hip. Thus, the knee joint as the target joint can be driven as shown in (a) and (b).
[0007]
FIG. 5 also shows a case where a target joint is driven while simultaneously driving a plurality of joints by driving the device, and is proposed in Japanese Utility Model Laid-Open No. 6-58937 as a joint driving device for a knee joint. The joint drive device 500 includes a base 501, a rotation drive unit 502 on the base 501, and a first link member 503 extending from the rotation drive unit 502. The first link member 503 rotates with respect to the base 501 around the rotation axis of the rotation drive unit 502. Further, on the base 501, a third link member 511 is attached in parallel with the first link member 503 via a third free rotating portion 514. The second link member 505 is connected to the first link member 503 via the first free rotating portion 504 and the third link member 511 via the second free rotating portion 512. The second link member 505 is provided with a mounting portion 507 so that the first link member 503 and the third link member 511 can be attached to the lower leg by the mounting portion 507.
In the joint drive device 500 configured as described above, when the rotation drive unit 502 is rotated by an actuator (not shown), the first link member 503 rotates around the rotation axis of the rotation drive unit 502, and The third link member 511 moves in parallel with the first link member 503, and the second link member 505 is driven in parallel with the base 501. The movement of the first link member 503 is transmitted to the crus through the first free rotating part 504 and the second link member 505, and moves while keeping the crus parallel to the base 501. By simultaneously moving the joint and the hip joint, the knee joint, which is the target joint, can be driven as in (a) and (b). Next, a conventional example in which a plurality of drive degrees of freedom of the apparatus are associated with one degree of freedom of rotation of the limb joints will be described with reference to FIG. The joint drive device 600 includes a base 601, a first rotation drive unit 602 on the base 601, and a first link member 603 extending from the first rotation drive unit 602. The first link member 603 rotates with respect to the base 601 around the rotation axis of the first rotation drive unit 602. A second link member 605 is connected to the first link member 603 via a second rotation drive unit 604, and the second link member 605 is moved relative to the first link member 603 by the drive of the second rotation drive unit 604. Thus, the second rotation drive unit 604 rotates around the rotation axis. Further, a third link member 611 is connected to the second link member 605 via a third rotation drive unit 606, and the third link member 611 is driven by the third rotation drive unit 606, so that the third link member 611 is connected to the second link member 605. On the other hand, the third rotation drive unit 606 rotates around the rotation axis. A mounting portion 607 is attached to the third link member 611 via a fixing portion 612, and the link member 611 can be attached to the lower leg by the mounting portion 607.
The joint drive device 600 configured as described above has the first link member 603 when the first rotation drive unit 602, the second rotation drive unit 604, and the third rotation drive unit 606 are rotated by an actuator (not shown). The third link is centered on the rotation axis of the first rotation drive unit 602 with respect to the base 601, and the second link member 605 is centered on the rotation axis of the second rotation drive unit 604 with respect to the first link member 603. The members 611 drive the second link member 605 around the rotation axis of the third rotation driving unit 606, respectively. Further, the movement of the third link member 611 is transmitted to the crus through the fixing part 612, and the crus is arbitrarily driven in the plane to move the knee joint and the hip joint at the same time. A knee joint can be driven as shown in (a) and (b).
Here, an example of driving the target knee joint while simultaneously driving the knee joint and the hip joint by driving the device is shown, but when driving only the knee joint, the first rotation drive unit 602 is attached to the thigh. What is necessary is just composition.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional example in which one degree of freedom of movement of the device is made to correspond to one degree of freedom of rotation of the limb joint, the rotation axis of the rotation driving unit and the rotation axis of the joint are made to coincide with each other as in the joint driving device 200. Since the position of the rotation drive unit is limited to the rotation axis of the joint to be driven, for example, when the finger joint is to be driven, the rotation drive unit is between the fingers. When designing a device that creates a sense of incongruity or that can be used in common with the left and right legs, it is necessary to devise measures such as replacing the mounting part according to the left and right legs, and allowing the equipment to be used even if it is turned over. Design is difficult due to restrictions. When a slide mechanism is used as in the joint drive device 300, the rotation drive unit can be set at an arbitrary position regardless of the rotation axis of the joint to be driven, but when the distance between the joint to be driven and the rotation drive unit increases, In order to obtain a certain driving range, it is necessary to lengthen the slide mechanism. Conversely, if the length of the slide mechanism is limited, the drive range of the joint to be driven is narrowed. When driving a plurality of joints simultaneously, such as the joint drive device 400 and the joint drive device 500, the force generated by the drive unit of the joint drive device is distributed to the plurality of joints. There is a risk that it will not be overloaded or vice versa. Also, since a plurality of joints are driven at the same time, it is easy to cause misalignment at the time of wearing, and when it is desired to know the joint angle of the target joint, the driving unit is made to coincide with the rotation axis of the joint as in Japanese Patent Publication No. 4-506610. There is a problem that it is necessary to make a measurement with a goniometer as in Japanese Utility Model Publication No. 6-58937.
In addition, in the conventional example in which a plurality of degrees of freedom of rotation of the device are made to correspond to one degree of freedom of rotation of the limb joints, a plurality of actuators are required for one joint to be driven, and thus the device itself is large. In addition, there is a problem that complicated calculation is required to drive a plurality of driving units in cooperation.
The present invention has been made in order to solve such problems of the conventional technology, and without any complicated calculation with a simple mechanism, regardless of the rotation axis of the joint to drive the rotation drive unit. It is an object of the present invention to provide a joint drive device that can set the position of the joint and drive the joint to be driven without difficulty without impairing the drive range of the joint.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problem, the invention of claim 1Driven by actuatorA rotation drive unit;FirstA rotation mechanism,SecondA rotation mechanism,Attached to the second rotating mechanismAn attachment portion that can be attached to at least one of the adjacent limbs of the joints of the limbs,
  The rotation drive unit and the first and second rotation mechanism units follow the rotation drive unit, the first rotation mechanism unit, the second rotation mechanism unit, the joints of the limbs, and the rotation drive unit in this order. And each of those rotation axes are arranged so as to form a quadrilateral,
The first rotation mechanism unit operates on an arc around the rotation axis of the rotation drive unit, and the second rotation mechanism unit operates on an arc around the rotation axis of the joint of the limb.The joint drive device is characterized by the above.
  The invention of claim 2The first and second rotation mechanisms are:A free rotation unit that passively rotates by driving the rotation drive unitIsIt is characterized by this.
  The invention of claim 3 provides theFirstThe rotation mechanism unit is an interlocking drive unit that rotates in conjunction with the rotation drive unit.And the secondThe rotation mechanism unit is a free rotation unit that passively rotates by driving the rotation drive unit and the interlocking drive unit.IsIt is characterized by this.
  According to a fourth aspect of the present invention, the rotation drive unit and the two free rotation units are:When the rotation drive unit, the first free rotation unit, the second free rotation unit, the joints of the limbs, and the rotation drive unit are traced in this order, their respective rotation axes are connected to form a parallelogram. ArrangedIt is characterized by this.
  The invention according to claim 5 is the rotation drive unit, the interlocking drive unit, and the free rotation unit.The rotation drive unit, the interlocking drive unit, the free rotation unit, the joints of the limbs, and the rotation drive unit are traced in this order, and their rotation axes are arranged so as to form a parallelogram.It is characterized by this.
  The invention of claim 6 is characterized in that the distance between the rotation driving unit and the first and second rotation mechanism units can be adjusted.
  The invention of claim 7 is characterized in that when the rotation axis of the joint of the limb is deviated from the apex of the parallelogram, a mechanism for absorbing the deviation and maintaining the parallelogram is provided. is there.
  The invention of claim 8 uses an electric motor as the actuator for driving the rotation drive unit,
Means for measuring the rotation angle or rotation speed of the electric motor;
Means for measuring the acting force from the limb wearing the wearing part;
Means for controlling the rotation angle or rotation speed of the electric motor;
Means for performing impedance control in a state in which the wearing part is worn on the limb during exercise teaching;
While performing the impedance control, the motion and force taught by the memory that stores the rotation angle at regular intervals and the impedance control that uses the rotation angle stored in the memory as an equilibrium point when the motion is reproduced are reproduced. And a means for carrying out the above.
[0010]
[Action]
By the above means, the joint to be driven can be driven by the rotational drive unit at an arbitrary position without causing a shift between the link and the limb in the mounting portion by one actuator. It is possible to provide a joint drive device that can be applied to a plurality of joints with a simple configuration without imposing an excessive load on the joints.
[0011]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a knee joint. The joint drive device 100 includes a base 101, a rotation drive unit 102 on the base 101, and a first link member 103 extending from the rotation drive unit 102. The first link member 103 rotates with respect to the base 101 around the rotation axis of the rotation drive unit 102. A second link member 105 is connected to the first link member 103, and a first rotation mechanism portion 104 is attached to a connecting portion between the first link member 103 and the second link member 105. The first rotation mechanism unit 104 rotates when the rotation driving unit 102 is driven, and the second link member 105 rotates about the rotation axis of the first rotation mechanism unit 104 with respect to the first link member 103. It has become. The second link member 105 is provided with a mounting portion 107 via a second rotation mechanism portion 106 so that the second link member 105 can be attached to the limb by the mounting portion 107.
In the joint drive device 100 configured as described above, when the rotation drive unit 102 is rotated by an actuator (not shown), the rotational force of the rotation drive unit 102 passes through the first link member 103 and the second link member. Since it is configured to be transmitted to the limbs, when the rotation drive unit 102 is driven, the limbs move around the knee joint 109 as shown in FIGS. it can.
[0012]
FIG. 7 is a side view showing another embodiment in which the present invention is applied to a knee joint. The joint drive device 700 includes a base 701, a rotation drive unit 702 on the base 701, and a first link member 703 extending from the rotation drive unit 702. The first link member 703 rotates with respect to the base 701 around the rotation axis of the rotation drive unit 702. A second link member 705 is connected to the first link member 703, and a first rotation mechanism portion 704 is attached to a connecting portion between the first link member 703 and the second link member 705. The first rotation mechanism unit 704 is rotated by being driven by the rotation driving unit 702, and the second link member 705 is rotated with respect to the first link member 703 around the rotation axis of the first rotation mechanism unit 704. It has become. The second link member 705 is provided with an attachment portion 707 via a second rotation mechanism portion 706, and the second link member 705 can be attached to the limb by the attachment portion 707.
In the joint drive device 700 configured as described above, when the rotational drive unit 702 is rotated by an actuator (not shown), the rotational force of the rotational drive unit 702 passes through the first link member 703 and the second link member. Since it is configured to be transmitted to the limbs, when the rotation drive unit 702 is driven, the limbs move around the knee joint 709 as shown in the drawings (a) and (b) to drive the knee joint 709. it can.
[0013]
FIG. 9 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a hip joint. The joint drive device 900 includes a base 901, a rotation drive unit 902 on the base 901, and a first link member 903 extending from the rotation drive unit 902. The first link member 903 rotates with respect to the base 901 around the rotation axis of the rotation drive unit 902. A second link member 905 is connected to the first link member 903, and a first rotation mechanism portion 904 is attached to a connecting portion between the first link member 903 and the second link member 905. The first rotation mechanism unit 904 is rotated by being driven by the rotation driving unit 902, and the second link member 905 is rotated about the rotation axis of the first rotation mechanism unit 904 with respect to the first link member 903. It has become. The second link member 905 is provided with a mounting portion 907 via a second rotation mechanism portion 906, and the second link member 905 can be attached to the limb by the mounting portion 907.
In the joint drive device 900 configured as described above, when the rotational drive unit 902 is rotated by an actuator (not shown), the rotational force of the rotational drive unit 902 passes through the first link member 903 and the second link member. Since it is configured to be transmitted to the limbs, when the rotation drive unit 902 is driven, the limbs move as shown in FIGS. 1A and 1B around the hip joint 909 and can drive the hip joint 909.
[0014]
FIG. 10 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to an ankle joint. The joint drive device 1000 includes a base 1001, a rotation drive unit 1002 on the base 1001, and a first link member 1003 extending from the rotation drive unit 1002. The first link member 1003 is configured to rotate around the rotation axis of the rotation drive unit 1002 with respect to the base 1001. A second link member 1005 is connected to the first link member 1003, and a first rotation mechanism portion 1004 is attached to a connecting portion between the first link member 1003 and the second link member 1005. The first rotation mechanism unit 1004 rotates when the rotation driving unit 1002 is driven, and the second link member 1005 rotates about the rotation axis of the first rotation mechanism unit 1004 with respect to the first link member 1003. It has become. The second link member 1005 is provided with a mounting portion 1007 via a second rotation mechanism portion 1006, and the second link member 1005 can be attached to the limb by the mounting portion 1007.
In the joint drive device 1000 configured as described above, when the rotation drive unit 1002 is rotated by an actuator (not shown), the rotational force of the rotation drive unit 1002 passes through the first link member 1003 and the second link member. Since it is configured to be transmitted to the limbs, when the rotation driving unit 1002 is driven, the limbs move around the ankle joint 1009 as shown in the drawings (a) and (b) to drive the ankle joint 1009. it can.
[0015]
FIG. 11 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a shoulder joint. The joint drive device 1100 includes a base 1101, a rotation drive unit 1102 on the base 1101, and a first link member 1103 extending from the rotation drive unit 1102. The first link member 1103 rotates with respect to the base 1101 around the rotation axis of the rotation drive unit 1102. A second link member 1105 is connected to the first link member 1103, and a first rotation mechanism portion 1104 is attached to a connecting portion between the first link member 1103 and the second link member 1105. The first rotation mechanism unit 1104 rotates when the rotation driving unit 1102 is driven, and the second link member 1105 rotates with respect to the first link member 1103 around the rotation axis of the first rotation mechanism unit 1104. It has become. The second link member 1105 is provided with an attachment portion 1107 via a second rotation mechanism portion 1106, and the second link member 1105 can be attached to the limb by the attachment portion 1107.
In the joint drive device 1100 configured as described above, when the rotational drive unit 1102 is rotated by an actuator (not shown), the rotational force of the rotational drive unit 1102 passes through the first link member 1103 and the second link member. Since it is configured to be transmitted to the limbs, when the rotation drive unit 1102 is driven, the limbs move around the shoulder joint 1109 as shown in the drawings (a) and (b), and the shoulder joint 1109 can be driven. it can.
[0016]
FIG. 12 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to an elbow joint. The joint drive device 1200 includes a base 1201, a rotation drive unit 1202 on the base 1201, and a first link member 1203 extending from the rotation drive unit 1202. The first link member 1203 is configured to rotate about the rotation axis of the rotation drive unit 1202 with respect to the base 1201. A second link member 1205 is connected to the first link member 1203, and a first rotation mechanism portion 1204 is attached to a connection portion between the first link member 1203 and the second link member 1205. The first rotation mechanism unit 1204 is rotated by being driven by the rotation driving unit 1202, and the second link member 1205 is rotated about the rotation axis of the first rotation mechanism unit 1204 with respect to the first link member 1203. It has become. The second link member 1205 is provided with an attachment portion 1207 via a second rotation mechanism portion 1206, and the second link member 1205 can be attached to the limb by the attachment portion 1207.
In the joint drive device 1200 configured as described above, when the rotational drive unit 1202 is rotated by an actuator (not shown), the rotational force of the rotational drive unit 1202 passes through the first link member 1203 and the second link member. Since it is configured to be transmitted to the limbs, when the rotation drive unit 1202 is driven, the limbs move around the elbow joint 1209 as shown in FIGS. (A) and (b) to drive the elbow joint 1209. it can.
[0017]
FIG. 13 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a wrist joint. The joint driving device 1300 includes a base 1301, a rotation driving unit 1302 on the base 1301, and a first link member 1303 extending from the rotation driving unit 1302. The first link member 1303 rotates with respect to the base 1301 around the rotation axis of the rotation drive unit 1302. A second link member 1305 is connected to the first link member 1303, and a first rotation mechanism portion 1304 is attached to a connecting portion between the first link member 1303 and the second link member 1305. The first rotation mechanism unit 1304 is rotated by being driven by the rotation driving unit 1302, and the second link member 1305 is rotated about the rotation axis of the first rotation mechanism unit 1304 with respect to the first link member 1303. It has become. The second link member 1305 is provided with an attachment portion 1307 via a second rotation mechanism portion 1306, and the second link member 1305 can be attached to the limb by the attachment portion 1307.
In the joint drive device 1300 configured as described above, when the rotational drive unit 1302 is rotated by an actuator (not shown), the rotational force of the rotational drive unit 1302 passes through the first link member 1303 and the second link member. Since it is configured to be transmitted to the limbs, when the rotation drive unit 1302 is driven, the limbs move around the wrist joint 1309 as shown in FIGS. (A) and (b) to drive the wrist joint 1309. it can.
[0018]
FIG. 14 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a finger joint. The joint driving device 1400 includes a base 1401, a rotation driving unit 1402 on the base 1401, and a first link member 1403 extending from the rotation driving unit 1402. The first link member 1403 rotates with respect to the base 1401 around the rotation axis of the rotation drive unit 1402. A second link member 1405 is connected to the first link member 1403, and a first rotation mechanism portion 1404 is attached to a connection portion between the first link member 1403 and the second link member 1405. The first rotation mechanism 1404 is rotated by being driven by the rotation driving unit 1402, and the second link member 1405 is rotated with respect to the first link member 1403 around the rotation axis of the first rotation mechanism 1404. It has become. The second link member 1405 is provided with an attachment portion 1407 via a second rotation mechanism portion 1406, and the second link member 1405 can be attached to the limb by the attachment portion 1407.
In the joint drive device 1400 configured as described above, when the rotation drive unit 1402 is rotated by an actuator (not shown), the rotational force of the rotation drive unit 1402 passes through the first link member 1403 and the second link member. Since it is configured to be transmitted to the limbs, when the rotation driving unit 1402 is driven, the limbs move around the finger joints 1409 as shown in FIGS. (A) and (b), and the finger joints 1409 can be driven. it can.
In the above embodiment, the case where the knee joint, the hip joint, the ankle joint, the shoulder joint, the elbow joint, the wrist joint, and the finger joint are applied has been described. It can be applied to other joints and torso forward bending movements and necks.
In the above embodiment, the example in which the rotation drive unit, the first rotation mechanism unit, and the second rotation mechanism unit are connected to the limbs in the order from the base is described, but the second rotation mechanism unit may be on the base side, The order can be arbitrarily configured. Further, the shape of the link does not need to be a straight line and can be configured in an arbitrary shape.
[0019]
In the joint driving device according to claim 2, the rotation mechanism portion according to claim 1 may be replaced with a free rotation portion. Since the joint drive device according to the second aspect has a simple structure, it is easy to load a link adjusting function and the like, and even if the mounting position is slightly deviated, it can be absorbed by the two free rotating portions.
With regard to the joint drive device according to claim 3, one of the rotation mechanism portions according to claim 1 may be replaced with an interlocking drive portion that rotates in conjunction with the rotation drive portion, and the other with a free rotation portion. The interlocking drive unit can be easily configured with a configuration in which the drive of the rotation drive unit is transmitted by a belt, a chain, a shaft, a hypoid gear or the like, or a combination of a plurality of gears and links. Since the joint drive device according to the third aspect is provided with the interlock drive unit that is driven in conjunction with the drive of the rotation drive unit, the joint drive device has a configuration that is strong against the force from the load side.
The joint drive device according to claim 4 is the device according to claim 2, wherein the rotation shafts of the rotation drive unit and the two free rotation units are arranged so as to form a parallelogram with respect to the rotation shafts of the joints of the limbs. do it.
The joint drive device according to claim 5 is the device according to claim 3, wherein each rotation axis of the rotation drive unit, the interlock drive unit, and the free rotation unit forms a parallelogram with respect to the rotation axis of the joint of the limb. Should be arranged.
[0020]
  FIG. 8 is a diagram for explaining claims 4 and 5, in which the embodiment of the present invention of FIG. 7 has a rotation drive unit and two rotation mechanism units parallel to the rotation axis of the joint of the limb. It is a quadrilateral. As can be seen from FIG. 8, in the joint drive device according to claims 4 and 5, the three rotary parts are arranged so as to form a parallelogram with respect to the joints of the limbs. The angle and the rotation angle of the limb joint 809 coincide. For this reason, the limb joint can be rotated smoothly by 180 °, and the rotation angle of the limb joint can be easily known by measuring the rotation angle of the rotation drive unit. The joint drive device according to claim 6 will be described. A joint drive device according to a sixth aspect is the device according to the first aspect, wherein the distance between the rotating parts can be adjusted, thereby changing the mounting position of the mounting part and the distance between the apparatus and the limb. Therefore, it is possible to deal with individual differences in limbs. In addition, it is possible to create a device that can be applied to a plurality of joints. The joint drive device of claim 7 will be described with reference to FIG. The joint drive device according to claim 7 comprises:Claim 4And an apparatus according to claim 5, comprising a mechanism for absorbing a deviation when the joint is displaced from the position of the parallelogram, and the embodiment of FIG. 5 (a) has a slide mechanism for absorbing the deviation. The attached example, FIG. (B) embodiment, absorbs the displacement by loosening the fixing at the attachment part and slips between the attachment part and the limb, and the example of FIG. A spring is provided in the part to absorb the deviation. According to the present invention, there is no mechanical shift in the mounting portion. However, since the center of rotation changes depending on the posture, rather than a deviation due to how the device is worn, individual differences, or the joint is not strictly rotated around one point, a slight deviation may occur in the wearing part. . The joint drive device according to claim 7 is provided with a mechanism for absorbing the minute displacement.
[0021]
The mechanism of the present invention described above can be applied to the continuous passive motion apparatus proposed by the present applicant as Japanese Patent Application No. 6-159414.
Here, the example combined with the Example shown in FIG. 1 of this invention is demonstrated.
That is, as shown in FIG. 16, the rotation drive unit 102 that can be rotated actively is driven by an electric motor 1601, and moves with a rotation detector 1602 that is a means for measuring the rotation angle (position) or rotation speed. A force sensor 1603 that is attached to the side mounting portion (here, the ankle side 107) and measures the acting force from the limb, a motor control unit 1604 that is a means for controlling the rotation angle or rotation speed of the motor, While the impedance control is being performed, the memory 1605 stores the rotation angle at regular intervals, and when the exercise state is taught, the impedance control is performed with the limbs attached to the joint drive device, and is stored in the memory during the treatment. Impedance that reproduces the motion and force taught by impedance control with the rotation angle as the equilibrium point May be added and the control unit 1606.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the mechanism is simple and complicated calculation is not required for controlling the apparatus, the design is easy, and the apparatus can be made inexpensive and lightweight. In addition, since the configuration is not restricted, it is possible to provide an apparatus that can be used for a plurality of joints. Furthermore, since the joint to be driven can be directly driven, it can be driven without applying an excessive load on the joint of the limb, and the angle of the joint of the limb is determined from the mounting position of the device and the rotation angle of the drive unit of the device. There is an effect that it can be easily estimated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a knee joint.
FIG. 2 is a side view showing a conventional joint driving device.
FIG. 3 is a side view showing a conventional joint driving device.
FIG. 4 is a side view showing a conventional joint driving device.
FIG. 5 is a side view showing a conventional joint drive device.
FIG. 6 is a side view showing a conventional joint driving device.
FIG. 7 is a side view showing another embodiment in which the present invention is applied to a knee joint.
FIG. 8 is a diagram for explaining claims 4 and 5;
FIG. 9 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a hip joint.
FIG. 10 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to an ankle joint.
FIG. 11 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a shoulder joint.
FIG. 12 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to an elbow joint.
FIG. 13 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a wrist joint.
FIG. 14 is a side view showing an embodiment in which the present invention is applied to a finger joint.
FIG. 15 is a view for explaining a mechanism for absorbing a shift according to claim 7;
FIG. 16 is a control block diagram of an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
100: Joint driving apparatus according to an embodiment in which the present invention is applied to a knee joint
200, 300, 400, 500, 600: joint drive device
700: Joint driving apparatus according to another embodiment in which the present invention is applied to a knee joint
900: Joint driving apparatus according to an embodiment in which the present invention is applied to a hip joint
1000: Joint driving apparatus according to an embodiment in which the present invention is applied to an ankle joint
1100: Joint driving apparatus according to an embodiment in which the present invention is applied to a shoulder joint
1200: Joint driving apparatus according to an embodiment in which the present invention is applied to an elbow joint
1300: Joint driving apparatus according to an embodiment in which the present invention is applied to a wrist joint
1400: Joint driving apparatus according to an embodiment in which the present invention is applied to a finger joint
101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801: base
901, 1001, 1101, 1201, 1301, 1401: Base
102, 202, 302, 502, 702, 802, 902: Rotation drive unit
1002, 1102, 1202, 1302, 1402: Rotation drive unit
402: Linear motion drive unit
602: First rotation drive unit
604: Second rotation drive unit
606: Third rotation drive unit
103, 403, 503, 603, 703, 803, 903: first link member
1003, 1103, 1203, 1303, 1403: First link member
104, 704, 804, 904, 1004, 1104: 1st rotation mechanism part
1204, 1304, 1404: First rotation mechanism section
105, 411, 505, 605, 705, 805, 905: second link member
1005, 1105, 1205, 1305, 1405: second link member
511, 611: Third link member
106, 706, 806, 906, 1006, 1106: second rotation mechanism
1206, 1306, 1406: second rotation mechanism
306, 406, 506, 606: Free rotating part
406, 504: 1st free rotation part
412 and 512: second free rotating part
413: U-shaped link member
612: Fixed part
107, 207, 307, 407, 507, 607, 707, 807: mounting portion
907, 1007, 1107, 1207, 1307, 1407: mounting part
203, 303: Link members
310: Slide mechanism
109, 209, 309, 409, 509, 609, 709, 809: Knee joint
909: Hip joint
1009: Ankle joint
1109: Shoulder joint
1209: Elbow joint
1309: wrist joint
1409: Finger joint

Claims

Attached to at least one of the limbs attached to the rotator joint attached to the rotator drive unit, the first rotation mechanism unit, the second rotation mechanism unit, and the second rotation mechanism unit driven by the actuator Equipped with a mounting part,
The rotation drive unit and the first and second rotation mechanism units follow the rotation drive unit, the first rotation mechanism unit, the second rotation mechanism unit, the joints of the limbs, and the rotation drive unit in this order. And each of those rotation axes are arranged so as to form a quadrilateral,
The first rotation mechanism unit operates on an arc around the rotation axis of the rotation drive unit, and the second rotation mechanism unit operates on an arc around the rotation axis of the joint of the limb. A joint drive device characterized by the above.

The joint driving apparatus according to claim 1, wherein the first and second rotating mechanism units are free rotating units that passively rotate by driving of the rotation driving unit.

The first rotation mechanism unit is an interlocking drive unit that rotates in conjunction with the rotation drive unit ,
The joint drive device according to claim 1, wherein the second rotation mechanism unit is a free rotation unit that passively rotates by driving the rotation drive unit and the interlocking drive unit.

The rotation drive unit and the two free rotation units follow the rotation drive unit, the first free rotation unit, the second free rotation unit, the joints of the limbs, and the rotation drive unit in this order. 3. The joint driving device according to claim 2 , wherein each of the rotation axes is connected and arranged so as to form a parallelogram .

The rotation drive unit, the interlock drive unit, and the free rotation unit follow the rotation drive unit, the interlock drive unit, the free rotation unit, the joints of the limbs, and the rotation drive unit in this order. The joint drive device according to claim 3, wherein the joint drive devices are arranged so as to form a parallelogram .

The joint drive device according to claim 1 , wherein a distance between the rotation drive unit and the first and second rotation mechanism units can be adjusted.

The joint drive according to claim 4 or 5 , further comprising a mechanism for absorbing the deviation and maintaining the parallelogram when a rotation axis of the joint of the limb deviates from a vertex of the parallelogram. apparatus.

Using an electric motor as the actuator that drives the rotation drive unit,
Means for measuring the rotation angle or rotation speed of the electric motor ;
Means for measuring the acting force from the limb wearing the wearing part ;
Means for controlling the rotation angle or rotation speed of the electric motor;
Means for performing impedance control in a state in which the wearing part is worn on the limb during exercise teaching ;
While performing the impedance control, a memory that stores the rotation angle at regular intervals;
Means for reproducing the locomotor and force taught by the impedance control for the rotation angle stored in the memory during exercise reproduce an equilibrium point, joint driving apparatus according to claim 1 to 7, wherein further comprising a .