JP4989278B2 - Lower limb power amplifier - Google Patents
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Description
本発明は、高齢者等の歩行補助、重労働作業現場の移動補助などに用いられる下肢パワー増幅装置に関する。 The present invention relates to a lower limb power amplifying apparatus used for assisting walking of elderly people and the like, and assisting movement in a heavy labor work site.
高齢者等の歩行補助、重労働作業現場の移動補助などに用いられる下肢パワー増幅装置が提案されている。この下肢パワー増幅装置は、常時搭乗している人間の体重を支える必要がある。定常的に重量を支える必要がある場合、機器の軽量化や消費エネルギーの低減のため、バネによる自重補償機能を用いるのが一般的である。 A lower limb power amplifying apparatus has been proposed that is used for assisting walking of elderly people and the like, as well as assisting movement at a heavy labor work site. This lower limb power amplifying apparatus needs to support the weight of a person who is always on board. When it is necessary to constantly support the weight, it is common to use a self-weight compensation function using a spring in order to reduce the weight of the device and reduce the energy consumption.
このような自重補償機能としては、例えば、特許文献1(特開2003−181789号公報)などに開示されている。 Such a self-weight compensation function is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-181789.
この自重補償機能は、基台に一端が枢着されたリンクと、一端が固定端となっているとともに前記リンクの基台との枢着部の垂直上方の作用点を経て他端が前記リンクに連結したばね部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものであるので、角度のファクターに拘束されることがなく、空間内の直交3軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸及びロール軸に対する多自由度を確保することができる。
しかし、下肢パワー増幅装置は、人間の下肢の動作をアシストするものであり、人間の下肢の動作、例えば、歩行動作に対してスムーズに動作するように構成されている必要がある。歩行動作は、直立した状態から片足を立脚とするとともに、他方の脚を遊脚として持ち上げ、その状態で遊脚の膝を曲げた状態で前方向に投げ出す。そして、遊脚の膝を伸ばしながら、遊脚を前方に着地させるという動作を繰り返し行うこととなる。 However, the lower limb power amplifying device assists the movement of the human lower limb, and needs to be configured to operate smoothly with respect to the movement of the lower limb of the human, for example, the walking movement. In the walking motion, one leg is used as a standing leg from an upright state, the other leg is lifted as a free leg, and the knee of the free leg is bent in that state and thrown forward. And the operation | movement of landing a free leg forward is performed repeatedly, extending the knee of a free leg.
ところで、このような自重補償機能を下肢パワー増幅装置の膝部関節に適用した場合、常時搭乗している人間の体重及び機器の重量を支えるため、膝部関節を伸ばした状態に補償することとなる。したがって、地面に接地している立脚については、このような自重補償機能が有効に機能し、膝部が重力で折れ曲がることを抑制することができる一方で、遊脚については、自重補償機能が膝を曲げるという動作の障害となる。 By the way, when such a self-weight compensation function is applied to the knee joint of the lower limb power amplifying device, in order to support the weight of the human being who is always on board and the weight of the device, it is compensated to the state where the knee joint is extended. Become. Therefore, such a weight compensation function works effectively for a stance that is in contact with the ground, and the knee can be prevented from bending due to gravity. It becomes an obstacle to the operation of bending.
すなわち、自重補償機能で膝関節を伸ばした状態に補償されているため、遊脚の膝を曲げる動作においては、自重補償機能が障害となり、膝を曲げるための力が増大し大きなエネルギーを必要とする。 In other words, because the knee weight is extended by the self-weight compensation function, in the operation of bending the knee of the free leg, the self-weight compensation function becomes an obstacle, and the force to bend the knee increases and a large amount of energy is required. To do.
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、下肢パワー増幅装置において、立脚には膝の曲がりを防止するのにアクチュエータの負荷を軽減することができるとともに遊脚には少ないエネルギーで膝を曲げることができ、立脚及び遊脚にそれぞれ有効に機能する自重補償機能を有する下肢パワー増幅装置を提供することである。 Therefore, the technical problem to be solved by the present invention is that in the lower limb power amplifying device, the load on the actuator can be reduced to prevent the knee from being bent in the standing leg, and the knee is applied to the free leg with less energy. can be bent, is to provide a leg power amplification equipment having a weight compensation function effectively function respectively stance and swing.
本発明は、上記技術的課題を解決するために、バネによる自重補償機能ではなく、リンク構造を工夫することによって上記目的を達成するものである。本発明は、以下の構成の下肢パワー増幅装置を提供する。 In order to solve the above technical problem, the present invention achieves the above object by devising a link structure instead of a self-weight compensation function by a spring. The present invention provides a lower leg power amplification equipment configured as described below.
本発明の第1態様によれば、搭乗者の下肢膝部の伸長動作に合わせて当該動作をアシストする下肢パワー増幅装置であって、
前記搭乗者が左右両足を載置させるペダルと、前記搭乗者が搭乗するサドルと、前記サドルと連結するベース部材と、前記ベース部材の左右側に前後左右方向に揺動可能に連結された脚部ユニットと、
を備え、
前記脚部ユニットは、大腿部支持部材と、上脚部材と、下脚部材と、上脚クランクと、伸縮可能に駆動する膝屈伸アクチュエータとを備え、
前記大腿部支持部材と、前記上脚部材と、前記下脚部材と、前記上脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する2辺を連結する連結点を関節とする4つの関節を有する四節機構を構成し、
前記下脚部材は、下端に設けられた下部連結点と、上端に設けられた上部連結点と、前記下部連結点と上部連結点を結ぶ直線近傍に設けられた中間連結点と、を有し、前記ペダルが前記下部連結点に揺動可能に連結され、
前記大腿部支持部材は、前記ベース部材に前後左右に揺動可能に連結され、前記サドルの後方に位置する原点に対し後方に位置する第1連結点と、前記原点に対し下後方に位置する第2連結点と、前記原点に対し下方に位置し前記第1連結点と第2連結点とを接続する直線上の延長線近傍に位置する第3連結点とを有し、
前記上脚部材は、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第1連結点と、前記下脚部材の前記上部連結点と、に連結され、
前記上脚クランクは、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第2連結点と、前記下脚部材の前記中間連結点と、に連結され、
前記膝屈伸アクチュエータは、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第3連結点と、前記下脚部材の前記上部連結点と、に連結され、前記四節機構を構成する四辺形の対角線方向に伸縮駆動することによって前記四節機構を構成する前記四辺形を変形させて、前記脚部ユニットを駆動して屈伸動作させる、
ことを特徴とする下肢パワー増幅装置を提供する。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a leg power amplification equipment to assist the operation in accordance with the expansion operation of the lower limb knee of the occupant,
A pedal on which the rider places both left and right feet, a saddle on which the rider rides, a base member connected to the saddle, and legs that are swingably connected to the left and right sides of the base member in the front-rear and left-right directions. A unit ,
With
The leg unit includes a thigh support member, an upper leg member, a lower leg member, an upper leg crank, and a knee flexion / extension actuator that drives to extend and contract,
The thigh support member, the upper leg member, the lower leg member, and the upper leg crank have a quadrilateral shape with at least a part of each of the thigh support member, and connect two adjacent sides. Construct a four-joint mechanism with four joints with a point as a joint,
The lower leg member has a lower connection points provided on the lower end, the upper connecting point provided at the upper end, and an intermediate connecting point provided on a straight line near the connecting the lower connection point and the upper connection point, The pedal is swingably connected to the lower connection point;
The thigh support member is connected to the base member so as to be able to swing back and forth and to the left and right, and is positioned rearwardly with respect to the origin located behind the saddle, and positioned below and rearward with respect to the origin. A second connection point that is located below the origin and a third connection point that is positioned near an extension line on a straight line that connects the first connection point and the second connection point,
The upper leg member has its opposite ends, said first connection point of the thigh supporting member, said upper connecting point of the lower leg member is connected to,
The upper leg crank, its both ends, and the second connection point of the thigh supporting member, and the intermediate connecting point of the lower leg member is connected to,
The knee bending actuator, both ends thereof, and the third connection point of the thigh supporting member, said upper connecting point of the lower leg member is connected to the diagonal direction of the quadrilateral constituting the four-bar mechanism By deforming and driving the leg unit by deforming the quadrilateral that constitutes the four-bar mechanism by extending and contracting to
A lower limb power amplifying apparatus characterized by the above is provided.
本発明の第2態様によれば、さらに前記大腿部支持部材の前記第3連結点と前記下脚部材の前記上部連結点に連結され、前記大腿部支持部材と前記下脚部材とを近づけるように付勢するスプリングを備えることを特徴とする、第1態様の下肢パワー増幅装置を提供する。 According to the second aspect of the present invention, the thigh support member is further connected to the third connection point of the thigh support member and the upper connection point of the lower leg member so that the thigh support member and the lower leg member are brought closer to each other. A lower limb power amplifying device according to the first aspect is provided, comprising a spring biasing the limb .
本発明の第3態様によれば、前記ペダル部の前記下脚部材との連結点の上方側に設けられたクランク連結点と前記上脚クランクの中間位置に設けられた中間連結点とを接続する下脚クランクをさらに備え、前記下脚部材と、前記ペダル部と、前記上脚クランクと、前記下脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する2辺を連結する連結点を関節とする4つの関節を有する第2の四節機構を構成することを特徴とする、第1又は第2態様の下肢パワー増幅装置を提供する。 According to a third aspect of the present invention, for connecting the intermediate connection points provided with a crank connecting points provided on the upper side of the connecting point between the lower leg member at an intermediate position of the upper leg crank of the pedal portion Further comprising a lower leg crank, the lower leg member , the pedal portion , the upper leg crank, and the lower leg crank have a quadrilateral shape with at least a part of each as a side and connect two adjacent sides A lower limb power amplifying device having a first or second aspect, characterized in that it comprises a second four-bar mechanism having four joints with the connecting point as a joint .
本発明によれば、大腿部支持部材と上脚部材と膝屈伸アクチュエータとで略三角形の形で下脚部材が支持される。そして、上脚部材の長さは一定であるため、膝屈伸アクチュエータの伸張に伴い、上脚部材の上部連結点は後方に押し出され、大腿部支持部材の第1連結点を中心とし上脚部材の長さを半径とする円運動を行う。また、下脚部材は中間連結点に上脚クランクが設けられているため、中間連結点は、前記膝屈伸アクチュエータの伸長に伴い第3連結点を中心とし上脚クランクの長さを半径とする円運動を行う。大腿部支持部材と上脚部材と上脚クランクと下脚部材とで(第1の)四節機構を構成し、大腿部支持部材と、上脚部材と、上脚クランクと、のそれぞれの連結点を固定した状態で、下脚部材の上端が後方に移動することによって、上脚クランクに連結する下脚部材の配置方向を異ならせることができる。第1態様では、第3連結点は第1連結点の前方下側に位置しているため、上脚部材の上部連結点と中間連結点との配列方向は、上部連結点が後方へ移動するにしたがって上下方向から水平方向へ近づくような配置となる。 According to the present invention, the lower leg member is supported in a substantially triangular shape by the thigh support member, the upper leg member, and the knee flexion / extension actuator. Since the length of the upper leg member is constant, the upper connecting point of the upper leg member is pushed backward with the extension of the knee flexion / extension actuator, and the upper leg is centered on the first connecting point of the thigh support member. Perform circular motion with the length of the member as the radius. Further, since the lower leg member is provided with the upper leg crank at the intermediate connecting point, the intermediate connecting point is a circle having the radius of the length of the upper leg crank with the third connecting point as the center along with the extension of the knee flexion / extension actuator. Do exercise. In a thigh support member and upper leg member and the upper leg crank and lower leg member (first) constitute a four-bar mechanism, and the thigh support member, and the upper leg member, and the upper leg crank, of each When the upper end of the lower leg member moves rearward with the connecting point fixed, the arrangement direction of the lower leg member connected to the upper leg crank can be varied. In the first aspect, since the third connection point is located on the lower front side of the first connection point, the upper connection point moves backward in the arrangement direction of the upper connection point and the intermediate connection point of the upper leg member. Accordingly, the arrangement is such that the vertical direction approaches the horizontal direction.
上記膝屈伸アクチュエータの伸長に伴い、下脚部材の上端が後方へ移動しつつ下脚部材が立った状態から水平方向へ近づくように倒れるように移動するため、上部連結点と中間連結点とを結ぶ延長線上に存在する下部連結点に固定されているペダルは略鉛直方向に持ち上げられ、膝の曲げ運動を行うことができる。 As the knee flexion / extension actuator extends, the upper end of the lower leg member moves backward and the lower leg member moves so as to fall down so as to approach the horizontal direction. The pedal fixed to the lower connection point existing on the line is lifted in a substantially vertical direction, and the knee can be bent.
また、本発明の第2態様によれば、スプリングにより膝屈伸アクチュエータを縮める方向に力が付勢されているため、膝が伸長した状態を維持しやすくなる。 Moreover, according to the 2nd aspect of this invention, since the force is urged | biased by the direction which shrinks a knee flexion-extension actuator with a spring, it becomes easy to maintain the state which the knee extended.
さらに、本発明の第3態様によれば、前記下脚部材、前記ペダル部、前記上脚クランクと、前記下脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する2辺を連結する連結点を関節とする4つの関節を有する第2の四節機構を形成することを特徴とする。このように下脚クランクを含む第2の四節機構を設けることで、下脚部材の水平方向への移動に伴い、ペダル部と下脚部材とがなす角度を自動的に調整することができ、ペダル部を常に一定の角度に維持することができる。 Further, according to the third aspect of the present invention, the lower leg member, the pedal portion, the upper leg crank, and the lower leg crank have a quadrilateral shape with at least a part of each as a side and are adjacent to each other. A second four-joint mechanism having four joints with joints connecting two sides as joints is formed . By providing the second four-bar mechanism including the lower leg crank in this way, the angle formed by the pedal portion and the lower leg member can be automatically adjusted as the lower leg member moves in the horizontal direction. Can always be maintained at a constant angle.
以下、本発明の下肢パワー増幅装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment of the lower limb power amplifier of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の下肢パワー増幅装置の外観構成を示す斜視図である。図2Aは、図1の下肢パワー増幅装置の平面図、図2Bは、図1の下肢パワー増幅装置の正面図、図2Cは、図1の下肢パワー増幅装置に人間が搭乗した場合の側面図をそれぞれ示している。本明細書において本装置の位置関係を示すために、図1に示すようにXYZ座標軸をそれぞれ、X軸が人間の前後方向、Y軸が人間の左右方向、Z軸が人間の上下方向と定義する。また、それぞれの軸において、X軸は前方向、Y軸は左方向、Z軸は上方向が正方向とする。 Figure 1 is a perspective view showing an external configuration of the lower limb power amplifier of the present invention. 2A is a plan view of the lower limb power amplifying device of FIG. 1, FIG. 2B is a front view of the lower limb power amplifying device of FIG. 1, and FIG. 2C is a side view when a human is riding on the lower limb power amplifying device of FIG. Respectively. In this specification, in order to show the positional relationship of this apparatus, as shown in FIG. 1, the XYZ coordinate axes are defined as the human front-rear direction, the Y-axis the human left-right direction, and the Z-axis the human vertical direction, respectively. To do. In each axis, the X axis is the forward direction, the Y axis is the left direction, and the Z axis is the upward direction.
下肢パワー増幅装置1は、人間がペダル2に左右両足を載置させるとともにサドル3にまたがって起立状態で搭乗し、人間の下肢の動きをアシストする装置である。すなわち、人間の下肢の動き、例えば、歩行、股関節の動作、膝関節の屈伸等の動作に応じて構成部材が駆動し、人間の下肢の動きに用いられる力をアシストする。
The lower limb power amplifying device 1 is a device for assisting the movement of the lower limbs of a human by placing the left and right feet on the
下肢パワー増幅装置1は、サドル3と連結され搭乗者の臀部背後に沿うように設けられたベース部材4と、ベース部材4のY軸方向両側に前後左右方向に揺動可能に連結され、搭乗者の脚部に沿って延在する部材である2つの脚部ユニット5と、ベース部材4の上側に設けられ、搭乗者の背後から側方を通って前方に延在するハンドルユニット6とを備える。
The lower limb power amplifying apparatus 1 is connected to a
ベース部材4は、X軸方向に間隔をおいて対向するように平行配置された一対のパネル部10a,10bを備えている。パネル部10a,10bは、略T字型の板状部材であり、一対のパネル部10a,10bの間に設けられたスペースは、下肢パワー増幅装置1を駆動させるための各種部材を搭載するための搭載空間10cとして用いられる。
The
前方パネル部10aには、サドル3を固定するためのサドル固定部11がX軸方向に突出して設けられている。サドル3は、搭乗者が着座するシート7とシート7の下側からZ軸方向下向きに延在する連結部材8とを備える。連結部材8は、サドル固定部11に対してZ軸方向に固定位置を変更可能に固定され、固定位置を変更することで搭乗者の体格に合わせてペダル2からシート7までの距離を調整することができる。
A
脚部ユニット5は、人間の下肢に沿う方向に延在する部材であり、搭乗者の膝関節の屈伸運動に応じて屈伸動作を行う。
The
ベース部材4と2つの脚部ユニット5は、連結具12によって前後左右方向に揺動可能に連結される。2つの脚部ユニット5のY軸方向の間隔は、搭乗者の骨盤の幅程度に構成されていることが好ましい。連結具12はX軸方向沿いの連結軸13Xの軸受け、Y方向沿いの連結軸13Yの軸受け、内側方向延在部122を有する部材であり、2つの脚部ユニット5に応じて左右対称に構成される。本実施形態では、連結軸13Yの位置は、図2Cに示すように、ベース部材4に取り付けた状態で搭乗者の股関節の後方に位置する。
The
連結具12は、搭載空間10cのパネル部10a,10bの左右両端位置に、X軸方向沿いの連結軸13Xによってベース部材4に対してX軸を中心として揺動可能に連結される。また、脚部ユニット5は、連結軸13Yを中心として揺動可能に連結具12に連結されている。したがって、ベース部材4に対して脚部ユニット5は、X軸及びY軸を中心として揺動することができる。
The
下肢パワー増幅装置1には、脚部ユニット5をベース部材4に対して左右方向に駆動させるための左右揺動アクチュエータ15R,15L及び脚部ユニット5をベース部材4に対して前後方向に駆動させるための前後揺動アクチュエータ16R,16Lが設けられている。これらのアクチュエータを用いた脚部ユニット5の揺動動作についての詳細は後述する。
In the lower limb power amplifying apparatus 1, the left / right swing actuators 15 </ b> R and 15 </ b> L for driving the
ハンドルユニット6は、ベース部材4の上端に連結されている。ハンドルユニット6は略U字形のハンドル本体20とハンドル本体20の両先端に設けられたグリップ21とを備える。ハンドル本体20は、搭乗者の背後から腰部側方を通って前方に延在するように構成されている。搭乗者は、ハンドル本体20の先端に設けられているグリップ21を腰の高さあたりで把持し、搭乗時のバランスを保つことができる。なお、本実施形態においては、ハンドルユニット6は、下肢パワー増幅装置1の駆動操作を行うためのものではなく、単に搭乗時の安定性を目的とした手すりとしての機能を有するものである。ただし、例えば、ハンドルユニット6に操作ボタンなどを設けて操作機能を持たせるようにしてもよい。
The
ベース部材4の左右両側に設けられている2つの脚部ユニット5は、左右対称に構成されていることを除き、大部分の構成を共通とする。脚部ユニット5は、大腿部支持部材31、上脚部材32、下脚部材33、膝屈伸アクチュエータ34、上脚クランク35、下脚クランク36、スプリング37、ペダル2をそれぞれ有する。
The two
上脚部材32、下脚部材33、膝屈伸アクチュエータ34、上脚クランク35、下脚クランク36、スプリング37は、大腿部支持部材31の下方に設けられ、人間の脚の膝関節の屈伸運動動作に合わせて屈伸動作するように構成される。屈伸動作のための具体的なリンク機構の詳細については後述する。
The
大腿部支持部材31は、図2Aに示すように、略直角三角形の形状の2枚の板状の部材311,312から構成され、これらの板状部材311,312が互いにY軸方向に沿って対向するように配置される。板状部材は、搭乗者に対して外側に設けられる外側板状部材311と、内側に設けられる内側板状部材312が設けられるが、双方とも構成を共通にする。
As shown in FIG. 2A, the
次に脚部ユニット5の屈伸動作のリンク機構について、大腿部支持部材31と上脚部材32、下脚部材33、膝屈伸アクチュエータ34、上脚クランク35、下脚クランク36などの各部材間の連結位置について説明する。
Next, regarding the link mechanism for the bending and stretching operation of the
図2Dは大腿部支持部材31を構成する板状部材311の構成を示す図である。図2Dでは、板状部材を代表して外側板状部材311の構成について説明するが、内側板状部材312も同様の構成を有する。
FIG. 2D is a diagram showing a configuration of a plate-
外側板状部材311は、上記のように略直角三角形の形状で構成されており、図2Dに示すように、直角三角形の直角部分にベース部材4との連結軸が配置される原点313が設けられている。この原点313は、サドル3の斜め後方で、搭乗者の股関節背部に相当する箇所に位置づけられる。また、外側板状部材311には原点313に対しX軸負方向すなわち搭乗者の後方に設けられた第1連結点314が設けられている。また、原点313に対し、下後方に第2連結点316a,及び第2補助連結点316bが設けられている。また、原点313に対し下方に第3連結点315が設けられる。第2連結点316a,第2補助連結点316bは、第1連結点314と第3連結点315を結ぶ直線の近傍に設けられる。なお、本実施形態においては、原点313から第1連結点314までの距離は279mm、原点313から第3連結点315までの距離は210mm、第1連結点314から第2連結点316aまでの距離は249mm、第3連結点315から第2連結点316aまでの距離は100mmに構成されている。また、原点313と第1連結点314の間には、前後駆動用支持軸317が設けられている。
The outer plate-shaped
大腿部支持部材31を構成する板状部材311,312は、上記連結具12の連結軸13Yを原点313に合わせ、2枚の板状部材311,312の間に連結具12を挟むように配置される。
The plate-
上脚部材32は2本を1組とする棒状の部材であり、上下端に他の部材と連結するための連結点が設けられている。上脚部材32は、その上部連結点を大腿部支持部材31の第1連結点314に一致させて、大腿部支持部材31と揺動可能に連結される。ここで、上脚部材32と大腿部支持部材31との連結点を関節Aとする。なお、本実施形態においては、上脚部材32の上下端に設けられている連結点(関節A−D)間の距離は350mmに構成されている。
The
下脚部材33は、上端に設けられた上部連結点と、下部連結点と、下部連結点と上部連結点とを結ぶ直線近傍に設けられた中間連結点と、を有する1本の棒状の部材である。下脚部材33は、その上部連結点を上脚部材32の下部連結点と一致させるようにして上脚部材32と揺動可能に連結する。上脚部材32と下脚部材33との連結点を関節Dとする。また、下脚部材33の中間連結点には、上脚クランク35が揺動可能に連結され、当該連結点を関節Eとする。また、下脚部材33の下部連結点には、ペダル2が揺動可能に連結され、当該連結点を関節Fとする。なお、本実施形態においては、下脚部材33の上下端に設けられている連結点(関節D−F)間の距離は516mm、上部連結点(関節D)と中間連結点(関節E)との距離は126mmに構成されている。
膝屈伸アクチュエータ34は、シリンダタイプのリニアアクチュエータで構成される。膝屈伸アクチュエータ34は、図示しない制御部からの制御信号により伸縮可能に構成されており、脚部ユニット5の屈伸動作の動力源として機能する。膝屈伸アクチュエータ34は、2枚の板状部材311,312の間に挟まれるように配置され、大腿部支持部材31の第3連結点315と下脚部材33の上部連結点に連結される。膝屈伸アクチュエータ34と大腿部支持部材31の第3連結点315との連結点を関節Cとし、また、膝屈伸アクチュエータ34と下脚部材33の上部連結点の連結点は関節Dと一致する。なお、本実施形態において、膝屈伸アクチュエータ34は、その全長が350mm〜550mmの間で伸縮するように構成されている。
The knee flexion /
上脚クランク35は、2本を1組とする棒状の部材であり、上端に設けられた上部連結点と、下部連結点と、下部連結点と上部連結点とを結ぶ直線近傍に設けられた中間連結点と、を有する部材である。上脚クランク35は、その上部連結点を大腿部支持部材31の第2連結点316aと一致させるようにして大腿部支持部材31と揺動可能に連結する。上脚クランク35と大腿部支持部材31の第2連結点316aとの連結点を関節Bとする。また、上脚クランク35は、その下部連結点を下脚部材33の中間連結点に一致させて揺動可能に連結する(関節E)。なお、本実施形態においては、上脚クランク35の上下端に設けられている連結点(関節B−E)間の距離は382mmに構成され、上部連結点(関節B)と中間連結点(関節G)との距離は335mmに構成されている。
Upper leg crank 35 is a rod-shaped member to the two one set, and the upper connecting points provided on the upper end, the lower connection point, provided in a linear proximity connecting the lower connection point and the upper connection point and an intermediate connection point, a member having a. The upper leg crank 35 is swingably connected to the
下脚クランク36は、上端に設けられた上部連結点と、下端に設けられた下部連結点とを有する1本の棒状の部材である。下脚クランク36は、上部連結点を上脚クランク35の中間連結点に一致させて上脚クランク35に揺動可能に連結される。当該連結点を関節Gとする。また、下脚クランク36の下部連結点をペダル2に連結させ、当該連結点を関節Hとする。下脚クランク36とペダル2との連結点である関節Hは、関節Fよりも上方に位置する。なお、本実施形態においては、下脚クランク36の上下端に設けられている連結点(関節G−H)間の距離は361mmに構成されている。また、ペダル2における関節Hと関節Fとの距離は、108mmに構成されている。
Lower leg crank 36 is one member of the rod-shaped with an upper connecting point provided at the upper end and a lower portion connecting points provided at the lower end. Lower leg crank 36 is swingably connected to the upper leg crank 35 by matching the upper connecting point to the intermediate connecting point of the upper leg crank 35. Let the connection point be a joint G. Further, the lower connecting point of the lower leg crank 36 is connected to the
スプリング37は、大腿部支持部材31の第2補助連結点316bと下脚部材33の上部連結点との近傍に連結し、大腿部支持部材31と下脚部材33とを引きつけ合う方向に付勢する。
The
ペダル2は、上記の通り、搭乗者が足を載置する部材である。ペダル2のつま先側には、圧力センサユニット201が設けられており、搭乗者の足の動きを検出して、図示しない制御部に検出信号を送信する。制御部は、当該圧力センサユニット201からの検出信号により、搭乗者がどのような動作を使用としているのかを予測し、下肢パワー増幅装置1の動作制御を行う。また、ペダル2には、地面Grと接地するヒール2aが設けられている。
As described above, the
なお、下脚部材33,上脚クランク35,下脚クランク36、ペダル2は、関節E,F,G,Hを節とする第2の四節機構を形成する。よって、脚部ユニット5の屈伸運動において、上記第2の四節機構によって、地面Grに対するペダル2の傾きを常に一定にすることができる。
Incidentally, the
次に脚部ユニット5の前後左右方向への揺動動作の駆動機構について説明する。
Next, a drive mechanism for swinging the
まず、脚部ユニット5の前後方向の揺動動作について説明する。図3Aは、脚部ユニット5が標準位置にある状態の下肢パワー増幅装置1の側面図である。図3Bは、脚部ユニット5が後方位置にある状態の下肢パワー増幅装置1の側面図である。図3Cは、脚部ユニット5が前方位置にある状態の下肢パワー増幅装置1の側面図である。
First, the rocking | fluctuation operation | movement of the front-back direction of the
脚部ユニット5を前後方向に揺動させるための動力源は、前後揺動アクチュエータ16R,16Lである。前後揺動アクチュエータ16R,16Lは、前後揺動アクチュエータ支持部材121にY軸沿いの連結軸161を介して揺動可能に連結される。前後揺動アクチュエータ支持部材121は、後方パネル部10bの背後に連結具の連結軸13Yに設けられ、連結具12のX軸方向の揺動に合わせて揺動する部材である。
The power sources for swinging the
前後揺動アクチュエータ16R,16Lは、シリンダタイプのリニアアクチュエータであり、シリンダ162が筐体160内を進退可能に駆動する。シリンダ162の先端は、大腿部支持部材31の前後駆動用支持軸317と連結する。したがって、シリンダ162の進退に応じて、連結軸161と大腿部支持部材31の前後駆動用支持軸317との距離が変動する。図3Aに示すように、脚部ユニット5が標準位置にあるときは、前後揺動アクチュエータ16R,16Lのシリンダ162は、筐体160の中央部近傍に位置している。
The forward /
図3Bに示すように脚部ユニット5が後方位置にあるときは、前後揺動アクチュエータ16R,16Lのシリンダ162が縮み、連結軸161と大腿部支持部材31の前後駆動用支持軸317との距離が標準位置にある場合と比較して短くなる。上記のように大腿部支持部材31は、連結軸13Yを中心としてY軸方向に揺動可能に構成されているため、シリンダ162が縮むことによって、前後駆動用支持軸317が上方向に移動する結果、脚部ユニット5が全体として後方に揺動する。
As shown in FIG. 3B, when the
一方、図3Cに示すように、脚部ユニット5が前方位置にあるときは、前後揺動アクチュエータ16R,16Lのシリンダ162が伸び、連結軸161と大腿部支持部材31の前後駆動用支持軸317との距離が標準位置にある場合と比較して長くなる。シリンダ162が伸びることによって、前後駆動用支持軸317が下方向に移動する結果、脚部ユニット5が全体として前方に揺動する。
On the other hand, as shown in FIG. 3C, when the
次に脚部ユニット5の左右方向の揺動動作について説明する。図4Aは、脚部ユニット5が標準位置にある状態の下肢パワー増幅装置1の背面図である。図4Bは、左足の脚部ユニット5が外側位置にあり、右足の脚部ユニット5が内側位置にある状態の下肢パワー増幅装置1の背面図である。なお、図4A,図4Bでは、脚部ユニット5の左右方向の揺動動作のための機構を視認しやすくするために、一部の部材の記載を省略している。
Next, the horizontal swinging motion of the
脚部ユニット5を左右方向に揺動させるための動力源は、左右揺動アクチュエータ15R,15Lである。左右揺動アクチュエータ15R,15Lは、ほぼZ軸に沿って配置され、ベース部材4の搭載空間10c内に連結部材18を介して揺動可能に連結される。また、左右揺動アクチュエータ15R,15Lの他端は、連結具12の内側方向延在部122に連結する。内側方向延在部122は、連結具12の連結軸13xに対して内側方向に延在して構成されている。したがって、内側方向延在部122が上下方向に移動することによって、脚部ユニット5は、連結軸13xを中心として揺動する。
Power sources for swinging the
左右揺動アクチュエータ15R,15Lは、シリンダタイプのリニアアクチュエータである。シリンダ151の先端152は連結具12の内側方向延在部122と連結し、シリンダ151の伸縮に応じて内側方向延在部122が上下方向に移動する。
The left and
図4Aに示すように、脚部ユニット5が標準位置にあるときは、左右揺動アクチュエータ15R,15Lのシリンダ151は中間位置に存在している。脚部ユニット5を内側へ揺動させる場合は、図4Bに示すように、左右揺動アクチュエータ15R,15L(図4Bでは左右揺動アクチュエータ15Rのみである。)のシリンダ151を伸ばし、内側方向延在部122を上方向へ移動させる。その結果、脚部ユニット5全体が連結軸13xを中心として内側へ揺動する。一方、脚部ユニット5を外側へ揺動させる場合は、図4Bの左右揺動アクチュエータ15R,15L(図4Bでは左右揺動アクチュエータ15Lのみである。)のシリンダを短くし、内側方向延在部122を下方向へ移動させる。その結果、脚部ユニット5全体が連結軸13xを中心として外側へ揺動する。
As shown in FIG. 4A, when the
次に、脚部ユニット5の屈伸動作について説明する。図5は、脚部ユニット5の屈伸状態を示す図である。図6は、脚部ユニット5の連結点の動作を示すための模式図である。図5の実線は脚部ユニット5が伸びた状態を示しており、二点鎖線は脚部ユニット5が屈曲した状態を示している。
Next, the bending / extending operation of the
脚部ユニット5は、図2Cに示したとおり各部材が連結されており、膝屈伸アクチュエータ34の伸縮動作によって、屈伸動作を行う。すなわち、上脚部材32,上脚クランク35の長さ及び大腿部支持部材31の各関節A,B,C間の距離は一定であり、膝屈伸アクチュエータ34の全長、すなわち、関節C−D間の距離のみが変動する。脚部ユニット5が伸びた状態では、膝屈伸アクチュエータ34は縮んだ状態になっており、関節A−B−Dをそれぞれ頂点とし、それぞれの連結点を相互に結ぶ三辺の距離が一定であるので、当該三角形の形状が維持され、脚部ユニット5は一定形状を維持している。
Each member of the
また、大腿部支持部材31の関節A、B、上脚部材32,下脚部材33,上脚クランク35は、関節A−B−D−Eを節とする第1の四節機構を形成し、上脚部材32の動きに応じて上脚クランク35及び下脚部材33が連動する。
Further, the joint A of the
膝屈伸アクチュエータ34が伸長、すなわち関節C−D間の距離が伸びると、関節A−C,関節A−D間の距離は一定であるので、膝屈伸アクチュエータ34の伸びに応じて一義的に三角形ACDの形状が変化する。この形状変化によって、関節Dは膝屈伸アクチュエータ34の伸びに応じて、辺ADは関節Aを中心としAD間の距離を半径とする円弧形状を描く。なお、このとき、スプリング37も関節Dの移動に伴って伸長する。
関節Dの後方への移動に応じて、関節Eは、関節Bを中心としてBE間の距離を半径とする円弧形状を描く。関節Dが後方に移動することにより、辺BEも後方へ移動する。関節Aから見て関節Dは略下方に、関節Bは前方下方に設けられているため、辺DEは、起立状態から水平状態へ近づくように移動する。したがって、関節Dの後方への移動により下脚部材33が起立状態から水平状態へ近づくように向きが変化する。
In accordance with the backward movement of the joint D, the joint E draws an arc shape with the radius between the distances between the BEs with the joint B as the center. When the joint D moves backward, the side BE also moves backward. Since the joint D is provided substantially downward and the joint B is provided forward and downward as viewed from the joint A, the side DE moves so as to approach the horizontal state from the standing state. Therefore, the
関節Dが後方へ移動しつつ下脚部材33が起立状態から水平状態へ向きが変化するため、図6(B)に示すように、ペダル2と下脚部材33との連結点(関節F)は、略上方へ移動する。
Since the joint D is the
図7Aは、関節Fの鉛直方向の位置とCD間の距離との関係を示すグラフである。図7Bは、関節Fの水平方向の位置とCD間の距離との関係を示すグラフである。 Figure 7A is a graph showing the relationship between the distance between the vertical position of the joint F CD. FIG. 7B is a graph showing the relationship between the horizontal position of the joint F and the distance between the CDs.
図7Aに示すように、膝屈伸アクチュエータ34の使用範囲においては、膝屈伸アクチュエータ34の長さ、すなわちCD間の距離と関節Fの鉛直方向の位置には概ね直線的な比例関係を有する。したがって、当該範囲で膝屈伸アクチュエータ34の全長を変化させることにより、ペダル2の高さを一律に変化させることができる。
As shown in FIG. 7A, in the range of use of the
一方で、グラフの傾きは概ね直線的に変化するが、CD間の距離が短くなるにつれて緩やかになるという関係がある。したがって、CD間の距離が短いほど、すなわち、脚部ユニット5が伸びた状態にあるほど、膝屈伸アクチュエータ34にかかる負荷を少なくすることができる。したがって、立ち状態において小さい力で、装置自体の重力や搭乗している人間の体重を支えやすい構造となっている。また、CD間の距離が長い状態では、グラフの傾きが大きく、膝屈伸アクチュエータ34の変位が連結点(関節F)に対して鉛直方向に増幅される。したがって、膝を浅く曲げた後はさらに膝を曲げる動作を行いやすく、遊脚において歩行動作などで膝を曲げる際、素早く動作させることができる。このとき、スプリング37は大きく引き伸ばされ、運動エネルギーが蓄積された状態にある。
On the other hand, the slope of the graph changes substantially linearly, but has a relationship that it becomes gentler as the distance between CDs becomes shorter. Therefore, the load applied to the knee flexion /
さらに、接地状態で膝を屈曲させた状態から伸ばす動作においては、図7Aからもわかるようにグラフの傾きが大きく、膝屈伸アクチュエータ34にかかる重力の影響は大きいが、膝が伸びるにしたがって、スプリング37に蓄積された運動エネルギーが解放されるので、膝屈伸アクチュエータ34に与える影響が小さくなる。よって、スプリング37によって脚部ユニット5が屈曲した状態から伸びた状態へ戻りやすくすることができる。すなわち、膝関節が屈曲し、座った状態から装置の重力に反して立った状態へ移行する場合にスプリング37の弾性力により膝屈伸アクチュエータ34の負荷を小さくすることができる。
Further, in the operation of extending from the state where the knee is bent in the grounded state, the inclination of the graph is large as shown in FIG. Since the kinetic energy stored in 37 is released, the influence on the knee flexion /
また、図7Bに示すように、膝屈伸アクチュエータ34の使用範囲においては、連結点(関節F)の水平方向の位置は、膝屈伸アクチュエータ34の長さすなわちCD間の距離にかかわらず、あまり変化がない。したがって、アクチュエータ34の変位は効率よく連結点Fの上下方向の変異に変換される。また、膝屈伸アクチュエータ34の全長の変化においてペダル2は、搭乗者が立った状態で足踏みしているような動作を行う。特に、CDの距離が短くなると水平方向に変化が現れる。一般に、人間が足部を鉛直方向にのみ上下させるということは稀であり、水平方向の変位を伴うことが多い。膝が曲がり始める際、連結点(関節F)が前方向に移動する動作は、人間の下肢が立ち位置から、踏み出す動作と共通しており、また、膝が伸びきる際、連結点(関節F)が後方向に移動する動作は、歩行時の蹴り出し動作と共通している。上記構成のリンク機構を採用することにより、膝屈伸アクチュエータ34の単純な動作で、連結点(関節F)をより自然な人間の動作にあわせて動作させることができる。また、CDの距離が短い、すなわち、脚部ユニット5が伸びた状態にあるほどグラフの傾きが大きく、膝屈伸アクチュエータ34の伸縮が連結点(関節F)の水平方向の動作に与える影響が大きくなる。これは、前後揺動アクチュエータ16R、16Lの動作と冗長性を持つ。この冗長性により、脚部ユニット5が伸びた状態で、前後方向のバランスを取ろうとする際に、より柔軟なコントロールが可能になる。例えば、前方向に倒れそうになった場合、前後揺動アクチュエータ16L、16Rを収縮させ、状態を後方に反らせるような動作をすると同時に、膝屈伸アクチュエータ34を十分縮んだ状態から少し伸展させることにより、連結点(関節F)を水平方向前向きに動かす力を与えてやると、前後揺動アクチュエータ16L、16Rの効果を増大させることができる。後方向に倒れそうになった場合は、各アクチュエータを逆方向に動作させることで、同様の効果を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 7B, in the range of use of the knee flexion /
以上説明したように、本実施形態にかかる下肢パワー増幅装置1によれば、膝屈伸アクチュエータ34の伸縮動作のみで人間の膝関節の動きに共通した動作を行うことができる。また、直立時において下向きに係る重力による膝屈伸アクチュエータ34に与える付加を小さくすることができ、直立状態時に膝屈伸アクチュエータ34の消費電力を小さくすることができる。
As described above, according to the lower limb power amplifying apparatus 1 according to the present embodiment, an operation common to the movement of the human knee joint can be performed only by the expansion / contraction operation of the knee flexion /
また、装置自体の重力に反して行う座った状態から立ち上がった状態へ移行する際にスプリング37により膝屈伸アクチュエータ34の負荷を軽減することができる。
In addition, the load on the knee flexion /
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、脚部ユニット5を構成する各部材の大きさはあくまで一例である。これらの各部材の長さの比を著しく異ならせない限り、各部材のサイズアップ及びサイズダウンは任意に行うことができる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement in another various aspect. For example, the size of each member constituting the
本発明に係る下肢パワー増幅装置は、人間が搭乗して人間の動作をアシストする装置であり、介護、工事現場、身体障害者の動作補助などにおいて広く用いることができる。 The lower limb power amplifying apparatus according to the present invention is an apparatus that assists human movements when a person gets on board, and can be widely used in nursing care, construction sites, assistance for movement of physically handicapped persons, and the like.
1 下肢パワー増幅装置
2 ペダル
3 サドル
4 ベース部材
5 脚部ユニット
6 ハンドルユニット
7 シート
8 連結部材
10a 前方パネル部
10b 後方パネル部
10c 搭載空間
11 サドル固定部
12 連結具
13X 連結軸
13Y 連結軸
15R、15L 左右揺動アクチュエータ
16R、16L 前後揺動アクチュエータ
20 ハンドル本体
21 グリップ
31 大腿部支持部材
32 上脚部材
33 下脚部材
34 膝屈伸アクチュエータ
35 上脚クランク
36 下脚クランク
37 スプリング
122 内側方向延在部
313 原点
314 第1連結点
315 第3連結点
316a 第2連結点
316b 第2補助連結点
317 前後駆動用支持軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower
Claims (3)
前記搭乗者が左右両足を載置させるペダルと、前記搭乗者が搭乗するサドルと、前記サドルと連結するベース部材と、前記ベース部材の左右側に前後左右方向に揺動可能に連結された脚部ユニットと、
を備え、
前記脚部ユニットは、大腿部支持部材と、上脚部材と、下脚部材と、上脚クランクと、伸縮可能に駆動する膝屈伸アクチュエータとを備え、
前記大腿部支持部材と、前記上脚部材と、前記下脚部材と、前記上脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する2辺を連結する連結点を関節とする4つの関節を有する四節機構を構成し、
前記下脚部材は、下端に設けられた下部連結点と、上端に設けられた上部連結点と、前記下部連結点と上部連結点を結ぶ直線近傍に設けられた中間連結点と、を有し、前記ペダルが前記下部連結点に揺動可能に連結され、
前記大腿部支持部材は、前記ベース部材に前後左右に揺動可能に連結され、前記サドルの後方に位置する原点に対し後方に位置する第1連結点と、前記原点に対し下後方に位置する第2連結点と、前記原点に対し下方に位置し前記第1連結点と第2連結点とを接続する直線上の延長線近傍に位置する第3連結点とを有し、
前記上脚部材は、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第1連結点と、前記下脚部材の前記上部連結点と、に連結され、
前記上脚クランクは、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第2連結点と、前記下脚部材の前記中間連結点と、に連結され、
前記膝屈伸アクチュエータは、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第3連結点と、前記下脚部材の前記上部連結点と、に連結され、前記四節機構を構成する四辺形の対角線方向に伸縮駆動することによって前記四節機構を構成する前記四辺形を変形させて、前記脚部ユニットを駆動して屈伸動作させる、
ことを特徴とする下肢パワー増幅装置。 In accordance with the expansion operation of the lower limb knee of the rider a leg power amplification equipment to assist the operation,
A pedal on which the rider places both left and right feet, a saddle on which the rider rides, a base member connected to the saddle, and legs that are swingably connected to the left and right sides of the base member in the front-rear and left-right directions. A unit ,
With
The leg unit includes a thigh support member, an upper leg member, a lower leg member, an upper leg crank, and a knee flexion / extension actuator that drives to extend and contract,
The thigh support member, the upper leg member, the lower leg member, and the upper leg crank have a quadrilateral shape with at least a part of each of the thigh support member, and connect two adjacent sides. Construct a four-joint mechanism with four joints with a point as a joint,
The lower leg member has a lower connection points provided on the lower end, the upper connecting point provided at the upper end, and an intermediate connecting point provided on a straight line near the connecting the lower connection point and the upper connection point, The pedal is swingably connected to the lower connection point;
The thigh support member is connected to the base member so as to be able to swing back and forth and to the left and right, and is positioned rearwardly with respect to the origin located behind the saddle, and positioned below and rearward with respect to the origin. A second connection point that is located below the origin and a third connection point that is positioned near an extension line on a straight line that connects the first connection point and the second connection point,
The upper leg member has its opposite ends, said first connection point of the thigh supporting member, said upper connecting point of the lower leg member is connected to,
The upper leg crank, its both ends, and the second connection point of the thigh supporting member, and the intermediate connecting point of the lower leg member is connected to,
The knee bending actuator, both ends thereof, and the third connection point of the thigh supporting member, said upper connecting point of the lower leg member is connected to the diagonal direction of the quadrilateral constituting the four-bar mechanism By deforming and driving the leg unit by deforming the quadrilateral that constitutes the four-bar mechanism by extending and contracting to
Lower limb power amplification device characterized by the above.
前記下脚部材と、前記ペダル部と、前記上脚クランクと、前記下脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する2辺を連結する連結点を関節とする4つの関節を有する第2の四節機構を構成することを特徴とする、請求項1又は2に記載の下肢パワー増幅装置。 A lower leg crank that connects a crank connection point provided above the connection point of the pedal portion with the lower leg member and an intermediate connection point provided at an intermediate position of the upper leg crank ;
The lower leg member , the pedal portion , the upper leg crank, and the lower leg crank each have a quadrilateral shape with at least a part of each of the lower leg member , a joint that connects two adjacent sides, and a joint. The lower limb power amplifying device according to claim 1 or 2, wherein a second four-bar mechanism having four joints is configured .
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