JP5400890B2 - 車椅子式歩行補助用ロボット - Google Patents

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Description

本発明は、車椅子式歩行補助用ロボットに関し、具体的には、一般人の筋力増強や患者の歩行リハビリまたは老弱者の挙動補助のために、ユーザの下半身に着用する外骨格を車椅子形態のリフトとともに結合した車椅子式歩行補助用ロボットに関する。
一般的に、歩行補助機器は、歩行が不便な患者や老弱者のリハビリを助け、挙動を補助するために用いられる手段である。歩行補助機器は、生活の質と福祉に対する関心が高まり、現代社会が老齢化社会に進んで行くことにつれて、次第に研究開発が活発になる傾向にある。
従来の歩行補助機器は、着用者の動きによって動作する単純なメカニズムとなっていたが、最近開発された歩行補助機器は、コンピュータと人体工学的メカニズムを組み合わせて、より便利で且つ筋力増強効果に優れているという長所を有する。例えば、韓国登録特許第６１２０３１号の「筋力増強のための歩行補助機器およびその制御方法」または韓国登録特許第７１６５９７号の「知能型筋力および歩行補助用ロボット」は、ユーザの下半身に外骨格を着用し、歩行補助手段であるキャスターウォーカー（ｃａｓｔｅｒ ｗａｌｋｅｒ）のアーム（ａｒｍ）に駆動装置を装着することによって、外骨格を駆動する技術を開示している。
図１を参照すれば、従来の歩行補助機器またはロボットは、ユーザの下半身に着用する外骨格１０と、モータによって走行するキャスターウォーカー２０と、外骨格１０とキャスターウォーカー２０を連結するアーム３０と、から構成される。外骨格１０は、左右側の脚フレーム１１にそれぞれ股関節部１２と膝関節部１３が設けられる一方、ユーザが着用する腰ブレース１４、太ももブレース１５、ふくらはぎブレース１６が脚フレーム１１に結合される構成を有する。車輪２１が取り付けられたキャスターウォーカー２０は、別途走行用モータによって駆動され、ユーザが手でつかんで支えることのできる取っ手を備えている。キャスターウォーカー２０に設けられ外骨格１０に連結されるアーム３０は、外骨格１０の股関節部１２と膝関節部１３をそれぞれ駆動できるようにモータとギヤ等で構成される駆動装置を内蔵している。
このような従来の歩行補助機器またはロボットは、キャスターウォーカー２０が自体的に走行しながらアーム３０の駆動装置を介して外骨格１０の股関節部１２と膝関節部１３を動作させるため、歩行補助だけでなく筋力増強を通したリハビリに極めて有用であるといえる。
ところが、このような従来の歩行補助機器は、ユーザの歩行を補助してリハビリを助けるのに有用な装置ではあるが、従来の車椅子のような走行機能は保有していないため、長距離移動手段としての価値は極めて少ない方であった。
また、従来の歩行補助機器は、ユーザの自由度制限によって回転半径が極めて大きいため、狭い場所での使用が不可能という短所がある。
また、従来の歩行補助機器は、ユーザが中心を失ったり装備の誤作動が発生したりする場合、ユーザが倒れたり装備が転覆する可能性が高いため、構造的な安定性の面で脆弱という問題があった。
また、従来の歩行補助機器は、各関節にトルクを印加してユーザの動作を補助するが、このとき、駆動モータのトルク出力の限界のため、座る動作や立ち上がる動作の場合、１００％の力を助けにくいという短所がある。
韓国特許第６１２０３１号公報 韓国特許第７１６５９７号公報
これにより、本発明は、歩行補助およびリハビリ機能に加えて、走行機能を兼ね備えた車椅子式歩行補助用ロボットを提供しようとする。
また、本発明は、使用空間の制約をかなり減少させることができる車椅子式歩行補助用ロボットを提供しようとする。
また、本発明は、構造的安定性と使用上の便利さを大幅に強化した車椅子式歩行補助用ロボットを提供しようとする。
また、本発明は、ユーザの座る動作や立ち上がる動作に必要な力を１００％助けることができる車椅子式歩行補助用ロボットを提供しようとする。
このような目的を達成するために、本発明は、次のような構成の車椅子式歩行補助用ロボットを提供する。
本発明に係る車椅子式歩行補助用ロボットは、走行部と、リフトと、外骨格とを含んで構成される。前記走行部は、メインフレームと、前記メインフレームに設けられる走行モータと、前記メインフレームに設けられ前記走行モータによって駆動される車輪と、を備える。前記リフトは、前記メインフレームに固定結合される外側リニアガイドと、前記外側リニアガイドに沿って上下移動が可能な内側リニアガイドと、前記内側リニアガイドに連結され上下移動が可能な椅子上端部と、前記外側リニアガイドに連結され前記内側リニアガイドが下降すれば広がり、上昇すれば折り畳まれる椅子下端部と、を備える。前記外骨格は、前記椅子上端部に固定結合されるリフト締結部と、太ももブレースが結合された上部フレームと、ふくらはぎブレースが結合された下部フレームと、前記リフト締結部と前記上部フレームとの間に設けられ、前記リフト締結部を基準として前記上部フレームを回転させる股関節部と、前記上部フレームと前記下部フレームとの間に設けられ、前記上部フレームを基準として前記下部フレームを回転させる膝関節部と、を備える。
このような本発明の車椅子式歩行補助用ロボットにおいて、前記リフトは、前記メインフレームに固定結合され、前記内側リニアガイドに連結され、前記内側リニアガイドを上下に駆動するリニアアクチュエーターと、をさらに備えてもよい。
また、前記リフトは、前記内側リニアガイドに固定結合され、前記外側リニアガイドに上下移動可能に結合される外側連結ブロックをさらに備えてもよい。
また、前記リフトは、前記椅子上端部に固定結合され、前記内側リニアガイドに上下移動可能に結合される内側連結ブロックをさらに備えてもよい。
また、前記リフトは、前記内側リニアガイドの上端に形成されるスプロケット（ｓｐｒｏｃｋｅｔ）と、一方の端部が前記メインフレームに締結され前記スプロケットを介して反対側の端部が前記内側連結ブロックに締結されるチェーンと、をさらに備えてもよく、このとき、前記内側連結ブロックが前記チェーンによって前記内側リニアガイドに沿って上昇すれば、前記椅子上端部もともに上昇する。
また、前記リフトは、前記外側リニアガイドに形成されるラックギヤと、前記ラックギヤに噛合され前記外側連結ブロックに回転可能に結合される第１スパーギヤ（ｓｐｕｒ ｇｅａｒ）と、前記第１スパーギヤに噛合され前記椅子下端部に軸が固定結合される第２スパーギヤと、をさらに備えてもよく、このとき、前記外側連結ブロックが前記内側リニアガイドによって上昇すれば、前記椅子下端部が下方に折り畳まれるように回転する。
また、前記リフトは、前記椅子上端部に設けられる腰ブレースをさらに備えてもよい。
また、前記外骨格は、前記リフト締結部の両側に設けられ、前記股関節部に回転駆動力を提供する股関節駆動部をさらに備えてもよい。
また、前記外骨格は、前記膝関節部に直接設けられ、前記膝関節部に回転駆動力を提供する膝関節駆動部をさらに備えてもよい。
本発明は、歩行補助およびリハビリ用途としてユーザが着用する外骨格、車椅子形態のリフト、歩行および走行が可能な走行部をともに結合することによって、ユーザの便利さと装備の効率性を極大化する。すなわち、本発明の車椅子式歩行補助用ロボットは、移動性に優れているので、移動手段として有用に使用することができるという効果がある。
また、本発明の車椅子式歩行補助用ロボットは、車椅子機能を組み合わせることによって、狭い空間では自由度の高い車椅子を使用することができるので、使用空間の制約がかなり減り、ユーザの活動半径が広くなるという効果がある。
また、本発明の車椅子式歩行補助用ロボットは、ユーザの重心が車椅子の中心にあるため、構造的安定性に優れただけでなく、リフトを用いることによって座る動作と立ち上がる動作における安定性も高め、不足したトルクも十分に提供することができるという効果がある。
従来技術に係る知能型筋力および歩行補助用ロボットの使用状態図である。 本発明の実施形態に係る車椅子式歩行補助用ロボットの斜視図である。 図２に示された車椅子式歩行補助用ロボットの走行部を示す斜視図である。 図２に示された車椅子式歩行補助用ロボットのリフトを示す斜視図である。 図４に示されたリフトの動作原理を示す概念図である。 図４に示されたリフトの動作原理を示す概念図である。 図２に示された車椅子式歩行補助用ロボットの外骨格を示す斜視図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に説明しようとする。ただし、実施形態を説明するにおいて、本発明が属する技術分野で良く知られており、本発明と直接関連のない事項に対しては、本発明の核心を曖昧にせず明確に伝達するために説明を省略してもよい。
一方、添付図面において一部構成要素は誇張または省略され、あるいは、概略的に示されており、各構成要素の大きさは実際の大きさを反映するものではない。添付図面の中で同一または対応する構成要素には、同一の参照番号を付与する。
図２は、本発明の実施形態に係る車椅子式歩行補助用ロボットの斜視図である。図２を参照すれば、本発明の車椅子式歩行補助用ロボットは、大きく走行部１００と、リフト２００（ｌｉｆｔ）と、外骨格３００とから構成される。このうち走行部１００は図３に示し、リフト２００は図４〜図６に示し、外骨格３００は図７に示している。
まず、図２と図３を参照して車椅子式歩行補助用ロボットの走行部を説明する。走行部１００は、メインフレーム１１０、車輪１２０、足乗せ台１３０、走行モータ１４０、制御器１５０、バッテリ１６０で構成される。
メインフレーム１１０は、走行部１００の骨組みをなし、走行部１００の残りの構成が装着または結合される土台を提供する。また、後述するように、メインフレーム１１０はリフト２００の特定の部分と締結され、リフト２００に支持力を提供する。
車輪１２０は、１対の前車輪と１対の後車輪とから構成される。後車輪は、走行モータ１４０によって直接駆動され、前車輪は自由回転が可能なキャスターである。すなわち、本発明の走行部１００は、後輪駆動方式を採択して全出力を増加させる。
足乗せ台１３０は、メインフレーム１１０の前端に連結されて形成され、ユーザがリフト２００の椅子下端部に座るとき足を支持する機能をする。
走行モータ１４０は、メインフレーム１１０の後端に設けられ後車輪を駆動する。
制御器１５０は、メインフレーム１１０の後端に設けられ走行部１００の走行モータ１４０を制御するだけでなく、後述するリフト２００のリニアアクチュエーターや外骨格３００の関節駆動部を制御することができる。すなわち、制御器１５０は、ユーザが車椅子の走行機能を用いる時と、歩行補助およびリハビリ機能を用いる時とを区分し、走行モータ１４０とリニアアクチュエーターと関節駆動部をそれぞれ制御する。図３には、制御器１５０の図示が省略されている。
バッテリ１６０は、メインフレーム１１０の後端に設けられ走行部１００の走行モータ１４０、リフト２００のリニアアクチュエーター２１０、外骨格３００の関節駆動部に電源を供給する。
次いで、図２および図４〜図６を参照して車椅子式歩行補助用ロボットのリフトを説明する。リフト２００は、大きくリニアアクチュエーター２１０（ｌｉｎｅａｒ ａｃｔｕａｔｏｒ）、外側リニアガイド２２０（ｏｕｔｅｒ ｌｉｎｅａｒ ｇｕｉｄｅ）、内側リニアガイド２３０（ｉｎｎｅｒ ｌｉｎｅａｒ ｇｕｉｄｅ）、椅子上端部２４０、椅子下端部２５０、チェーン２６０を含んで構成される。
リニアアクチュエーター２１０は、走行部１００のメインフレーム１１０に固定結合される。また、リニアアクチュエーター２１０は、内側リニアガイド２３０に連結され内側リニアガイド２３０を上下に駆動する。図５では、リニアアクチュエーター２１０が内側リニアガイド２３０の下端に連結されたものを示しているが、これは単に概念的に見せるためのもので、連結位置を限定しようとするものではない。例えば、リニアアクチュエーター２１０は、内側リニアガイド２３０の下端側に位置しながら、長さが伸びる連結棒を介して内側リニアガイド２３０の上端に連結されてもよい。
外側リニアガイド２２０は、リニアアクチュエーター２１０と同様に走行部１００のメインフレーム１１０に固定結合される。また、外側リニアガイド２２０は、ラックギヤ２２２（ｒａｃｋ ｇｅａｒ）を備えているが、これに対しては図６を参照して後述する。
内側リニアガイド２３０は、上述したようにリニアアクチュエーター２１０と連結され上下移動が可能である。また、内側リニアガイド２３０は、外側連結ブロック２３１を介して外側リニアガイド２２０に連結され、内側連結ブロック２３２を介して椅子上端部２４０に連結される。特に、図５に示されたリフト動作原理から分かるように、外側連結ブロック２３１は内側リニアガイド２３０に固定結合され、外側リニアガイド２２０に上下移動可能に結合される。これとともに、内側連結ブロック２３２は、椅子上端部２４０に固定結合され、内側リニアガイド２３０に上下移動可能に結合される。一方、外側連結ブロック２３１には、図６に示された第１スパーギヤ２３３（ｆｉｒｓｔ ｓｐｕｒ ｇｅａｒ）が回転可能に結合され、内側リニアガイド２３０の上端にはスプロケット２３４（ｓｐｒｏｃｋｅｔ）が備えられる。内側リニアガイド２３０と関連した説明は、図５および図６を参照して後で説明することにする。
椅子上端部２４０（すなわち背もたれ）は、上述したように内側連結ブロック２３２を介して内側リニアガイド２３０と連結される。また、椅子上端部２４０は、ひじ掛け２４１を備える。椅子上端部２４０の動作に対しては図５を参照して後述する。
椅子下端部２５０は、第２スパーギヤ２５１（ｓｅｃｏｎｄ ｓｐｕｒ ｇｅａｒ）の軸と固定結合され、図６に示したように、第２スパーギヤ２５１は外側連結ブロック２３１の第１スパーギヤ２３３と噛合される。椅子下端部２５０とスパーギヤ２３３，２５１に対しては、図６を参照して後述する。
チェーン２６０は、図５に示したように、一方の端部が走行部（図３の１００）のメインフレーム１１０に締結され、内側リニアガイド２３０のスプロケット２３４を介して反対側の端部が内側連結ブロック２３２に締結される。チェーン２６０は、ワイヤー等の他の手段に代替されることができ、このときスプロケット２３４はプーリー（ｐｕｌｌｅｙ）等に代替されることができる。場合によっては、チェーン２６０とスプロケット２３４を使用しなくてもよいが、この場合、椅子上端部２４０は内側連結ブロック２３２によって内側リニアガイド２３０に固定結合される。
一方、図面に示していないが、リフト２００は椅子上端部２４０に設けられた腰ブレースをさらに含んでもよい。
次いで、図５および図６によってリフト２００の動作原理を説明する。
まず、図５を参照すれば、外側リニアガイド２２０が固定された状態で、リニアアクチュエーター２１０が内側リニアガイド２３０を上側に駆動すれば、内側リニアガイド２３０は外側連結ブロック２３１を介して外側リニアガイド２２０に沿って上昇する。このとき、チェーン２６０は一方の端部がメインフレーム１１０に締結されているので、その締結位置が固定される。したがって、内側リニアガイド２３０が上昇すれば、スプロケット２３４が回転しながら内側連結ブロック２３２に締結されたチェーンの２６０の反対側の端部を引き寄せるようになる。すなわち、内側連結ブロック２３２がチェーン２６０によって内側リニアガイド２３０に沿って上昇するようになり、内側連結ブロック２３２に固定結合された椅子上端部２４０もともに上昇するようになる。
一方、図６を参照すれば、外側リニアガイド２２０の側面にはラックギヤ２２２が形成されており、ラックギヤ２２２には第１スパーギヤ２３３が噛合している。図面には示していないが、第１スパーギヤ２３３は外側連結ブロック２３１に回転可能に結合される。第１スパーギヤ２３３には第２スパーギヤ２５１が噛合するが、第２スパーギヤ２５１は椅子下端部２５０に軸が固定結合される。したがって、内側リニアガイド２３０が上昇すれば、外側連結ブロック２３１もともに上昇するが、このとき、外側連結ブロック２３１に回転可能に結合された第１スパーギヤ２３３も、ラックギヤ２２２に沿って回転しながら上昇するようになる。また、第１スパーギヤ２３３に噛合している第２スパーギヤ２５１は、第１スパーギヤ２３３と反対方向に回転しながら上昇するようになり、このとき、第２スパーギヤ２５１の軸が固定結合された椅子下端部２５０が下方に折り畳まれるように回転するようになる。
以上説明したリフト２００の動作原理を総合してみれば、椅子上端部２４０が下降した状態であり、椅子下端部２５０が広がった状態では、ユーザが椅子に座って車椅子の機能を行うことができる。そうするうちにユーザが椅子から立ち上がろうとするとき、椅子上端部２４０は上昇し椅子下端部２５０は後方に折り畳まれながら、ユーザが立ち上がったり歩行するとき妨害にならないようにする。
次いで、図２および図７を参照して車椅子式歩行補助用ロボットの外骨格を説明する。外骨格３００は、ユーザの下半身に着用され、歩行動作や座る動作と立ち上がる動作を誘導し補助する機構であって、リフト締結部３１０、上部フレーム３２０、下部フレーム３３０、股関節部３４０、膝関節部３５０、股関節駆動部３６０、膝関節駆動部３７０、太ももブレース３８０、ふくらはぎブレース３９０で構成される。
リフト締結部３１０は、リフト２００の椅子上端部２４０に固定結合される部位である。したがって、椅子上端部２４０が上昇すれば、リフト締結部３１０もともに上側に動くようになる。
１対の上部フレーム３２０は人の両太ももに相当し、１対の下部フレーム３３０は人のふくらはぎに相当する。また、１対の股関節部３４０と１対の膝関節部３５０は、それぞれ人の股関節と膝関節に相当する。
股関節部３４０は、リフト締結部３１０と上部フレーム３２０との間に設けられる。股関節駆動部３６０は、リフト締結部３１０の両側に設けられ股関節部３４０に回転駆動力を提供する。股関節駆動部３６０は、駆動モータと、モータ軸と、ベベルギヤ（ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒ）等の動力伝達手段とから構成されてもよい。股関節駆動部３６０によって股関節部３４０が回転すれば、リフト締結部３１０を基準として上部フレーム３２０が回転しながら、人の歩行動作や座る動作と立ち上がる動作を実現する。
膝関節部３５０は、上部フレーム３２０と下部フレーム３３０との間に設けられる。膝関節駆動部３７０は、膝関節部３５０に直接設けられ膝関節部３５０に回転駆動力を提供する。膝関節駆動部３７０は、駆動モータ３２０とモータ軸などの動力伝達手段で構成されてもよい。膝関節駆動部３７０によって膝関節部３５０が回転すれば、上部フレーム３２０を基準として下部フレーム３３０が回転しながら、人の歩行動作や座る動作と立ち上がる動作を実現する。
ユーザが着用する太ももブレース３８０と、ふくらはぎブレース３９０は、それぞれ上部フレーム３２０と下部フレーム３３０に結合され形成される。
今まで実施形態によって本発明に係る車椅子式歩行補助用ロボットに対して説明した。本明細書と図面には本発明の好ましい実施形態に対して開示しており、たとえ特定用語が使用されたが、これは単に本発明の技術内容を容易に説明して発明の理解を助けるための一般的な意味で使用されたものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではない。ここに開示された実施形態の他にも本発明の技術的思想に基づいた他の変形例が実施可能であることは、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に自明なことである。
１０・・外骨格，１１・・脚フレーム，１２・・股関節部，１３・・膝関節部，１４・・腰ブレーズ，１５・・太ももブレース，１６・・ふくらはぎブレース，２０・・キャスターウォーカー，３０・・アーム，１００・・走行部，１１０・・メインフレーム，１２０・・車輪，１３０・・足乗せ台，１４０・・走行モータ，１５０・・制御器，１６０・・バッテリ，２００・・リフト，２１０・・リニアアクチュエーター，２３０・・内側リニアガイド，２３１・・内側連結ブロック，２３２・・外側連結ブロック，２３３・・第１スーパーギヤ，２３４・・スプロケット，２４０・・椅子上端部，２５０・・椅子下端部，２５１・・第２スーパーギヤ，２６０・・チェーン，３００・・外骨格，３１０・・リフト締結部，３２０・・上部フレーム，３３０・・下部フレーム，３４０・・股関節部，３５０・・膝関節部，３６０・・股関節駆動部，３７０・・膝関節駆動部，３８０・・太ももブレース，３９０・・ふくらはぎブレース。

Claims (9)

  1. メインフレームと、前記メインフレームに設けられる走行モータと、前記メインフレームに設けられ前記走行モータによって駆動される車輪とを備える走行部、
    前記メインフレームに固定結合される外側リニアガイドと、前記外側リニアガイドに沿って上下移動が可能な内側リニアガイドと、前記内側リニアガイドに連結され上下移動が可能な椅子上端部と、前記外側リニアガイドに連結され前記内側リニアガイドが下降すれば広がり、上昇すれば折り畳まれる椅子下端部とを備えるリフト、
    前記椅子上端部に固定結合されるリフト締結部と、太ももブレースが結合された上部フレームと、ふくらはぎブレースが結合された下部フレームと、前記リフト締結部と前記上部フレームとの間に設けられ、前記リフト締結部を基準として前記上部フレームを回転させる股関節部と、前記上部フレームと前記下部フレームとの間に設けられ、前記上部フレームを基準として前記下部フレームを回転させる膝関節部とを備える外骨格、
    を含むことを特徴とする車椅子式歩行補助用ロボット。
  2. 前記リフトは、前記メインフレームに固定結合され、前記内側リニアガイドに連結され、前記内側リニアガイドを上下に駆動するリニアアクチュエーターと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の車椅子式歩行補助用ロボット。
  3. 前記リフトは、前記内側リニアガイドに固定結合され、前記外側リニアガイドに上下移動可能に結合される外側連結ブロックをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の車椅子式歩行補助用ロボット。
  4. 前記リフトは、前記椅子上端部に固定結合され、前記内側リニアガイドに上下移動可能に結合される内側連結ブロックをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の車椅子式歩行補助用ロボット。
  5. 前記リフトは、前記内側リニアガイドの上端に形成されるスプロケットと、一方の端部が前記メインフレームに締結され前記スプロケットを介して反対側の端部が前記内側連結ブロックに締結されるチェーンとをさらに備え、前記内側連結ブロックが前記チェーンによって前記内側リニアガイドに沿って上昇すれば、前記椅子上端部もともに上昇することを特徴とする請求項４に記載の車椅子式歩行補助用ロボット。
  6. 前記リフトは、前記外側リニアガイドに形成されるラックギヤと、前記ラックギヤに噛合され前記外側連結ブロックに回転可能に結合される第１スパーギヤと、前記第１スパーギヤに噛合され前記椅子下端部に軸が固定結合される第２スパーギヤとをさらに備え、前記外側連結ブロックが前記内側リニアガイドによって上昇すれば、前記椅子下端部が下方に折り畳まれるように回転することを特徴とする請求項３に記載の車椅子式歩行補助用ロボット。
  7. 前記リフトは、前記椅子上端部に設けられる腰ブレースをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の車椅子式歩行補助用ロボット。
  8. 前記外骨格は、前記リフト締結部の両側に設けられ、前記股関節部に回転駆動力を提供する股関節駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の車椅子式歩行補助用ロボット。
  9. 前記外骨格は、前記膝関節部に直接設けられ、前記膝関節部に回転駆動力を提供する膝関節駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の車椅子式歩行補助用ロボット。
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