JP5482983B2

JP5482983B2 - 機械式自重補償装置

Info

Publication number: JP5482983B2
Application number: JP2009037380A
Authority: JP
Inventors: 英雄藤本; 学之中山
Original assignee: 国立大学法人名古屋工業大学
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: JP2010188025A

Description

本発明は、下肢リハビリテーションにおいて、特別な動力源を用いずに、患者に装着して使用することのできる自重補償装置およびその機構に関するものである。

従来、ばね復元力を用いて自重を正確に補償する装置として、非特許文献１に変形プーリを用いることで姿勢に依存することなく、自重トルクを補償することのできる装置が、特許文献1、非特許文献2に鉛直軸とリンク間に自然長が0となるようにバネを張ることで複雑な構造を用いずに姿勢に依存することなく自重トルクを補償することのできる装置が、非特許文献3では、弾性を調整することのできる装置を組み込むことで、補償自重を装置装着者の体重に応じて任意に変更可能な自重補償装置がそれぞれ提案されている。また、リハビリテーションを目的とした自重補償装置として、非特許文献4では天井吊り下げ型
の自重補償装置が、非特許文献5、非特許文献6では、車椅子使用者の上腕の自重を補償するための装置として、車椅子装着型の自重補償装置がそれぞれ提案されている。また、非特許文献7では、背中に支柱を背負った形で装着する、下肢自重補償装置が提案されている。さらに、非特許文献８ではヒューマノイドの関節を駆動するモータにかかる負荷を低減化することを目的として、ばね部材を用いた自重補償装置が提案されている。

特開2003−181789号公報

N. Ulrich et al.：PASSIVE MECHANICAL GRAVITY COMPENSATION FOR ROBOT MANIPULATORS, Proc. of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1536/1541, 1991 J.L. Herder：Development of a Statically Balanced Arm Support: ARMON, Proc. of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics, 1114/1120, 2007 B. M. Wisse et al.：Energy-Free Adjustment of Gravity Equilibrators Using the Virtual Spring Concept, Proc. of the IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics, 742/750, 2007 A. H. A. Stienen et al.：Freebal: dedicated gravity compensation for the upper extremities, Proc. of the IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics, 804/808, 2007 森田他：バイオメカニズム学会誌, Vol. 30, No. 4, 200/204, 2006 B. Mastenbroek et al.：Development of a Mobile Arm Support (Armon): Design Evolution and Preliminary User Experience, Proc. of the 2007 IEEE10th International Conference on Rehabilitation Robotics, 1114/1120, 2007 S. K. Banala, S. K. Agrawal, A. Fattah, V. Krishnamoorthy, W. Hsu, J. Scholz and K. Rudolph：Gravity Balancing Leg Orthosis and Its Performance Evaluation, IEEE Transaction on Robotics, vol.22, no. 6, 1228/1238, 2006 S. Shirata et al.：Design and Evaluation of a Gravity Compensation Mechanism for a Humanoid Robot, Proc. of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 3635/3640, 2007

しかし、上記の自重補償装置は、ワイヤやばね部材がリンク間に張られる、または鉛直方向を向いた基台が存在するなど、人に直接装着して使用するには指や服を挟まれる危険のある構造を有していた。下肢リハビリ装置として人に装着することを前提とした自重補償装置では、安全性が最優先される。また、装着した際の違和感を低減化するためにコンパクトな構造であることも望まれる。そのため、ばね部材やワイヤがリンク間に張られた構造を有する従来の自重補償装置は安全面および装着性の観点からは十分なものとは言えなかった。

このような問題を解決し、人に装着して安全に使用することのできる自重補償装置を構築するためには、従来技術に見られるようなリンク間に張られるワイヤやリンクを固定するための基台を必要とせず、自重補償機構全体をリンク内に内臓可能なコンパクトな自重補償装置を開発する必要がある。
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、下肢リハビリテーションを補助することを目的とし、人に装着して使用した際に人に与える危険の少ない、自重補償装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１記載の自重補償装置は、
回転関節で接続されたリンクにより構成される下肢に取り付け可能な自重補償装置であって、関節の回転角速度を1/2に減速するギヤと、前記ギヤに固定された第１のプーリと、第１のプーリと同じ半径を有し、リンクに垂直に固定された軸に枢着される回転自在な第２のプーリと、前記第１・第２のプーリを交叉して連結するワイヤと、両端を前記第１・第２のプーリに自在継ぎ手を介して接続されたばね部材から構成される。
本装置では前記関節を角度θ回転させたとき、前記ギヤにより前記第一のプーリがθ/2だけ前記関節と逆向きに回転し、さらに前記第１・第２のプーリ間を交叉して連結するワイヤにより前記第２のプーリは前記第１のプーリと逆方向に同じ角度だけ回転する。この結果、前記第１・第２のプーリ間に張られるばね部材は第１・第２のプーリの軸間を結ぶ直線と平行に

に比例する長さだけ伸張させられることになる。一方、前記第１・第２のプーリの回転により、プーリとばね部材の取り付け位置も回転し、その結果、前記第１・第２のプーリにはそれぞれ

に比例する逆向きの弾性力が

に比例するモーメントアームをもって働くことになる。これにより、前記第１・第２のプーリには

に比例するトルクが、プーリの回転を戻す方向に働くことになる。前記第２のプーリに働くトルクは前記第１・第２のプーリ間を交叉して連結するワイヤにより前記第１のプーリに伝えられるので、これらのトルクの和として前記第１のプーリには

に比例するトルクが発生する。このトルクは前記ギヤを介して2倍され、前記関節に伝えられる。この結果、前記関節周りには

に比例するトルクが発生することになり、また本トルクはばね部材の弾性係数の大きさに比例する。
一方、前記関節を角度θ回転させたときに自重により関節周りに生成されるトルクも

に比例する。
従って、適切にばね部材の弾性係数を設定することにより、自重により関節周りに生成されるトルクを任意の姿勢で誤差なく正確に打ち消す、自重補償装置が実現されることになる。
このように、本発明の請求項１記載の自重補償装置では、ばね部材を伸張させたときに生じる反力を用いて自重補償トルクを生成するので、従来技術のようにばね部材を張るための支柱を外部に設けることなく、リンク内に生じる内力のみを用いて自重補償を行うことができる。
また、支柱などの装置の動きと連動しない機構を配置する必要が無く，ばね部材がリンクと平行に配置されるため、装置全体をコンパクトに設計することができ、安全面のみならず、操作性の向上、装置の軽量化を図ることができる。

実施形態１の１リンク自重補償装置の模式図である．実施形態２の２リンク自重補償装置の模式図である．

以下，発明を具体化した実施形態を，図面を参照しつつ説明する．
（第１実施形態）
図１は本発明の実施形態１の自重補償装置を概念的に示す図である。実施形態１の自重補償装置は体幹を伸ばしきった状態で前傾をしたときに自重による転倒を防ぐことのできる１自由度の自重補償装置である。
実施形態１の自重補償装置は基台となる足底１と、足底１に固定されたギヤ２、ギヤ２の径の２倍の径を持つギヤ３、ギヤ３と共通の回転軸を持ち、ギヤ３に固定されたプーリ４、プーリ４とワイヤで結合されたプーリ６、プーリ４とプーリ６に自在継ぎ手で接続されたばね部材５から構成される。
ばね部材５は直立姿勢にあるときに、自然長が０となるように接続されており、図１のように角度θ右側に倒れると、ギヤ３が右回りにθ/2回転し、ギヤ４がワイヤによって左回りにθ/2回転するので、このとき、ばね部材５は

だけ伸張する。従って、ばね部材５のばね定数をKとすると、ばね両端にはリンク中心線と平行に復元力

が働くことになる。一方、ばね復元力とプーリ４、プーリ６の間のモーメントアームは、図１より、

で与えられるから、プーリ４には紙面に対して下向きのトルク

が、プーリ６には紙面に対して上向きのトルク

が働くことになる。プーリ４とプーリ６がワイヤで結ばれており、プーリ６は自由関節でリンクに枢着されているので、ワイヤに働く張力によって、プーリ４に生成されるトルクは-M6になる。従って、ばね復元力がプーリ４に生成する全トルクは紙面に対して下向きのトルク

で記述される。ギヤ３はリンクと自由関節で枢着されているので、これは、ギヤ２からギヤ３に加えられるトルクと釣り合うはずである。従って、ギヤ２からギヤ３に加えられるトルクは、紙面に対して上向きのトルク

で与えられることになる。
一方、角度θ右側に倒れた状態で、自重により関節周りに生成されるトルクは
装置装着者とリンクを含めた自重をm、その重心とギヤ２の回転中心までの距離をl、重力加速度をgとして、
Mgl・sin(θ)
で与えられるから、ばね定数を

のように選べば、

となって、自重により関節周りに生成されるトルクを任意の姿勢で誤差なく正確に打ち消すトルクが関節周りに生成されることになる。
（第２実施形態）
図２は本発明の実施形態２の自重補償装置を概念的に示す図である。実施形態２の自重補償装置は２リンクから構成され、人の下肢に装着することで、体重によって関節に生じるトルクを完全に補償することのできる自重補償装置である。
実施形態２の自重補償装置は基台となる足底１と、足底１に固定されたギヤ２、ギヤ２の径の２倍の径を持つギヤ３、ギヤ３と共通の回転軸を持ち、ギヤ３に固定されたプーリ４、プーリ４とワイヤで結合されたプーリ６、プーリ４とプーリ６に自在継ぎ手で接続されたばね部材５、第１関節と第２関節を結ぶタイミングベルト７、足底１に固定されたタイミングプーリ８、第２関節の回転軸とベアリングを介して回転自在に枢着されたタイミングプーリ９、タイミングプーリに固定されたギヤ１０、ギヤ１０の径の２倍の径を持つギヤ１１、ギヤ１１と共通の回転軸を持ち、ギヤ１１に固定されたプーリ１２、プーリ１２とワイヤで結合されたプーリ１３、プーリ１２とプーリ１３に自在継ぎ手で接続されたばね部材１４から構成される。
ばね部材５とばね部材１４は直立姿勢にあるときに、自然長が０となるように接続されている。
実施形態２の自重補償装置は図２のように第1リンクを角度θ1、第2リンクを角度θ2右側に倒した場合には、タイミングベルトにより、ギヤ１０がギヤ８と同じ姿勢を維持するため、ギヤ１１は第２リンクに対して(θ1+θ2)/2だけ右回りに回転することになる。これより、ばね部材１４は

だけ伸張することになり、実施形態１の自重補償装置と同様にして、第２リンクに

のトルクが発生することがわかる。同様に、第１リンクに発生するトルクに関しても、実施形態１の自重補償装置と同じ解析を行うことができ、

のトルクが発生することが示される。
従って、装置装着者と自重補償装置を含めた第１リンクの自重をm1、その重心とギヤ２の回転中心までの距離をl1、装置装着者と自重補償装置を含めた第2リンクの自重をm2、その重心とギヤ１０の回転中心までの距離をl2として、ばね定数をそれぞれ

に取ることで、自重により関節周りに生成されるトルクを任意の姿勢で誤差なく正確に打ち消す自重補償装置を構成することができることになる。

（他の実施形態）
以上において，本発明を実施形態1,2に即して説明したが，本発明は上記実施形態に制限されるものではなく，その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明の自重補償装置は，下肢リハビリに限らず、組立工場における作業アシスト装置や、重量の重い機械の動力補助にも利用可能である。また、ヒューマノイドロボットの駆動系の出力補助としても利用可能である。

１…基台となる足底
２…ギヤ
３…ギヤ２の径の２倍の径を持つギヤ
４…ギヤ３に固定されたプーリ
５…ばね部材
６…プーリ４とワイヤで結合されたプーリ
７…タイミングベルト
８…足底１に固定されたタイミングプーリ
９…第２関節に回転自在に枢着されたタイミングプーリ
１０…第２関節に枢着されたギヤ
１１…ギヤ１０の径の２倍の径を持つギヤ
１２…ギヤ１１に固定されたプーリ
１３…プーリ１２とワイヤで結合されたプーリ
１４…ばね部材

Claims

回転関節で接続されたリンクにより構成される下肢に取り付け可能な自重補償装置であって、関節の回転角速度を1/2に減速するギヤと、前記ギヤに固定された第１のプーリと、第１のプーリと同じ半径を有し、リンクに垂直に固定された軸に枢着される回転自在な第２のプーリと、前記第１・第２のプーリを交叉して連結するワイヤと、両端を前記第１・第２のプーリに自在継ぎ手を介して接続されたばね部材から構成され、前記関節の回転角度を前記ギヤを介して1/2の回転角度に変換し、前記第１のプーリを前記関節の回転角度の1/2の角度だけ回転させるとともに、前記第１・第２のプーリ間を交叉して連結する
ワイヤにより、前記第２のプーリを前記第１のプーリと逆方向に同じ角度だけ回転させることで、前記第１・第２のプーリ間に張られるばね部材を前記プーリの軸間を結ぶ直線と平行に伸張させ、ばね復元力と前記プーリ軸の間のモーメントアームをプーリ回転角の余弦で与えられる長さにするとともに、ばね部材の伸張量をプーリ回転角の正弦で与えられる長さにすることで、前記ばね部材の復元力により前記第１・第２のプーリの軸周りに各々のプーリの回転角の正弦で与えられるトルクを生成し、その発生トルクを前記ギヤと前記ワイヤを介して前記関節の回転軸に伝えることで、前記関節の回転軸周りに関節回転角の正弦関数で与えられるトルクを生成し、前記リンク及び装置装着者の自重により関節周りに生成されるトルクを任意の姿勢で誤差なく正確に打ち消す自重補償装置。