JP5728952B2 - Walking support device - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザの脚の動きを補助する装置に関する。特に、歩行動作を補助する歩行支援装置に関する。   The present invention relates to a device for assisting movement of a user's leg. In particular, the present invention relates to a walking support device that assists walking motion.

近年、アクチュエータによって積極的にユーザの脚の動きを補助する歩行支援装置が研究されている。そのような歩行支援装置は、ユーザの大腿に装着される大腿リンクと下腿に装着される下腿リンクが揺動可能に連結されており、アクチュエータが下腿リンクを揺動させる。そのような歩行支援装置の例が特許文献1や特許文献2に開示されている。   In recent years, a walking support device that actively assists the movement of a user's leg by an actuator has been studied. In such a walking support device, the thigh link attached to the user's thigh and the crus link attached to the lower leg are connected so as to be able to swing, and the actuator swings the lower leg link. Examples of such walking support devices are disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2.

なお、特許文献2に開示された歩行支援装置は、モータ(アクチュエータ)のトルクを増幅して下腿リンクへ伝達する減速機構として、4リンク機構を採用している点でユニークである。その歩行支援装置は、大腿リンクと下腿リンクを2本の補助リンクで連結して4リンクの閉リンク機構を構成している。4リンクの閉リンク機構は、各リンクの長さを適宜に選定すると減速装置として機能することが知られている。例えば、最も短いリンクが一回転するときに最も長いリンクが1/4回転するように構成すると、このときのトルク増幅率はおよそ4倍となる。後述するように本発明も4リンク機構を採用した歩行支援装置であるので、関連する先行技術として特許文献2を挙げておく。   Note that the walking assist device disclosed in Patent Document 2 is unique in that a four-link mechanism is employed as a speed reduction mechanism that amplifies the torque of a motor (actuator) and transmits the amplified torque to a lower leg link. The walking support device comprises a four-link closed link mechanism in which a thigh link and a crus link are connected by two auxiliary links. It is known that the 4-link closed link mechanism functions as a reduction gear when the length of each link is appropriately selected. For example, when the shortest link rotates once, the longest link rotates 1/4, the torque amplification factor at this time is about four times. As will be described later, since the present invention is also a walking support device adopting a four-link mechanism, Patent Document 2 is cited as a related prior art.

以下では簡単のため、「歩行支援装置」を「支援装置」と簡略化して称する場合がある。さらに、本明細書で用いる用語の幾つかを説明しておく。ピッチ軸とは、ロボットの技術分野でよく知られている用語であり、ロボット(本明細書の場合は支援装置を装着したユーザ)の左右方向(側方)に伸びる軸を意味する。また、以下の説明で用いる「前方」、「後方」とは、ユーザが直立姿勢をとったときの前方、後方を意味する。「脚の長手方向の中心線」とは、ユーザを側方から観測したとき、大腿については股関節回転中心と膝関節回転中心を結ぶ直線を意味し、下腿については、膝関節回転中心と足首関節回転中心を結ぶ直線を意味する。   Hereinafter, for the sake of simplicity, the “walking support device” may be simply referred to as “support device”. Furthermore, some terms used in this specification will be explained. The pitch axis is a term well known in the technical field of robots, and means an axis extending in the left-right direction (side) of the robot (in this specification, a user wearing a support device). Further, “front” and “rear” used in the following description mean front and rear when the user takes an upright posture. The “longitudinal centerline of the leg” means a straight line connecting the hip rotation center and the knee rotation center for the thigh when the user is observed from the side, and the knee rotation center and the ankle joint for the lower leg. This means a straight line connecting the centers of rotation.

特開2002−301124号公報JP 2002-301124 A 特開2008−23234号公報JP 2008-23234 A

歩行支援装置は、装置を装着した脚(装着脚)が自己の筋力では体重を支えきれなくなった場合に膝関節が屈曲してしまうことを防止しなければならない。体重を支えきれなくなって膝関節が屈曲してしまうことは、「膝折れ」と俗称されている。以下、説明が理解し易くなるので本明細書でも「膝折れ」という用語を用いる。歩行支援装置には膝折れを防止することが要求される。典型的には、歩行支援装置は、歩行動作を支援する際、装着脚が立脚のときに、膝折れが生じないように下腿リンクの角度を維持するトルクを出力する必要がある。このときアクチュエータに要求される出力トルクを小さくすることができれば、支援装置の省エネルギ化が図れる。あるいは、アクチュエータに要求される最大トルクが小さくなるので小型(小出力)のアクチュエータを採用することができる。   The walking support device must prevent the knee joint from bending when the leg (wearing leg) wearing the device cannot support the weight with its own muscle strength. The fact that the knee joint is bent due to the inability to support weight is commonly referred to as “knee break”. Hereinafter, since the explanation is easy to understand, the term “knee break” is also used in this specification. The walking assist device is required to prevent knee breakage. Typically, when assisting the walking motion, the walking assist device needs to output a torque that maintains the angle of the lower leg link so that the knee does not break when the attached leg is a standing leg. At this time, if the output torque required for the actuator can be reduced, the energy saving of the support device can be achieved. Alternatively, since the maximum torque required for the actuator is reduced, a small (small output) actuator can be employed.

アクチュエータのトルクに頼らずに膝折れを防止する手法として、装着脚が立脚のときに下腿リンクの回転にブレーキをかける手法もあり得るが、その場合は歩行の所定のタイミングに合わせてブレーキのON/OFF切り替える必要がある。本明細書は、ブレーキを用いることなく、また、アクチュエータに大きな出力トルクを要求することもなく、機構的な工夫により立脚の膝折れを防止することのできる歩行支援装置を提供する。   As a method to prevent knee breakage without relying on the torque of the actuator, there may be a method of braking the rotation of the lower leg link when the attached leg is a standing leg, but in that case the brake is turned on in accordance with the predetermined timing of walking It is necessary to switch off / on. The present specification provides a walking assist device that can prevent knee breakage of a standing leg by a mechanical device without using a brake and without requiring a large output torque from an actuator.

本明細書が開示する歩行支援装置は、特許文献2の歩行支援装置のように、大腿リンクと下腿リンクを2本の補助リンクで連結して4リンクの閉リンク機構を採用する。本明細書が開示する技術の一つの特徴は、特定の幾何学条件を満足するように閉リンクの構造を規定することによって、ブレーキを不要とするだけでなくアクチュエータのトルクすら必要とすることなく立脚の膝折れを防止することにある。   The walking support device disclosed in this specification employs a four-link closed link mechanism in which a thigh link and a lower leg link are connected by two auxiliary links, like the walking support device of Patent Document 2. One feature of the technology disclosed in this specification is that the closed link structure is defined so as to satisfy specific geometric conditions, so that not only the brake but also the torque of the actuator is not required. The purpose is to prevent knee breakage of the stance.

本明細書が開示する支援装置の一態様を説明する。その支援装置は、大腿リンク、下腿リンク、第1補助リンク、第2補助リンク、及び、アクチュエータを備えている。大腿リンクと下腿リンクは相互に回転可能に連結されており、それぞれ、ユーザの大腿と下腿に取り付けられる。大腿リンクと下腿リンクの間の回転軸線は、ユーザが支援装置を装着した際、膝関節の回転軸とほぼ一致する。第1補助リンクはピッチ軸回りに回転可能に大腿リンクに連結しており、第2補助リンクはピッチ軸回りに回転可能に下腿リンクに連結している。第1補助リンクの先端は第2補助リンクの先端に回転可能に連結している。アクチュエータは大腿リンクに対して下腿リンクを回転させるものである。   One mode of the support device disclosed in this specification will be described. The support device includes a thigh link, a crus link, a first auxiliary link, a second auxiliary link, and an actuator. The thigh link and the crus link are rotatably connected to each other, and are respectively attached to the user's thigh and crus. The rotation axis between the thigh link and the crus link substantially coincides with the rotation axis of the knee joint when the user wears the support device. The first auxiliary link is connected to the thigh link so as to be rotatable around the pitch axis, and the second auxiliary link is connected to the crus link so as to be rotatable around the pitch axis. The tip of the first auxiliary link is rotatably connected to the tip of the second auxiliary link. The actuator rotates the lower leg link with respect to the thigh link.

本明細書が開示する支援装置は、大腿リンク、下腿リンク、第1及び第2補助リンクが、4リンクの閉リンク構造(閉4リンク構造)を構成する。この点では特許文献2の支援装置と同じである。本明細書が開示する支援装置の特徴は、その閉4リンク構造が、次の2つの幾何学的条件を満足するように構成されていることにある。第1の幾何学的条件は、支援装置を装着したユーザが膝を伸ばしたときに側方から観測して、大腿リンクと第1補助リンクの連結部の回転中心、第1補助リンクと第2補助リンクの連結部の回転中心、及び、下腿リンクと第2補助リンクの連結部の回転中心の3点が一直線に並ぶように構成されている、という条件である。以下、この条件を、膝ロック条件と称することにする。その理由は後述する。   In the support device disclosed in this specification, the thigh link, the lower thigh link, the first and second auxiliary links constitute a four-link closed link structure (closed four-link structure). This is the same as the support device of Patent Document 2. The feature of the support device disclosed in this specification is that the closed four-link structure is configured to satisfy the following two geometrical conditions. The first geometric condition is that the user wearing the support device observes from the side when the knee is stretched, and the rotation center of the connecting portion between the thigh link and the first auxiliary link, the first auxiliary link and the second The condition is that the three points of the rotation center of the connecting portion of the auxiliary link and the rotation center of the connecting portion of the lower leg link and the second auxiliary link are arranged in a straight line. Hereinafter, this condition will be referred to as a knee lock condition. The reason will be described later.

第2の幾何学的条件は、大腿リンクと第1補助リンクの連結部の回転中心と、下腿リンクと第2補助リンクの連結部の回転中心の少なくとも一方が、ユーザが支援装置を装着した際に側方から観測して、膝関節回転軸を通る脚長手方向中心線よりも後方に位置する、という条件である。以下、この条件を、屈曲条件と称することにする。屈曲条件は、膝ロック条件を満足した上で、大腿リンクと下腿リンクが膝屈曲方向に曲がることができるために必要な条件である。ユーザが脚を伸ばしたとき、第1及び第2補助リンクが共に完全に脚の長手方向の中心線よりも前方に位置する場合(屈曲条件が満足されないとき)、第1と第2のリンクが引っ張り合うので大腿リンクと下腿リンクは膝屈曲方向に回転できなくなるのは容易に想像がつくであろう。   The second geometric condition is that at least one of the rotation center of the connecting portion of the thigh link and the first auxiliary link and the rotation center of the connecting portion of the lower leg link and the second auxiliary link is when the user wears the support device. When observed from the side, it is located behind the center line in the longitudinal direction of the leg passing through the rotation axis of the knee joint. Hereinafter, this condition is referred to as a bending condition. The bending condition is a condition necessary for the thigh link and the crus link to bend in the knee bending direction while satisfying the knee lock condition. When the user stretches the leg, if both the first and second auxiliary links are completely positioned forward of the longitudinal center line of the leg (when the bending condition is not satisfied), the first and second links are It can be easily imagined that the thigh link and the crus link cannot rotate in the knee flexion direction because they are pulled together.

膝ロック条件の技術的意味を、図5を参照して説明する。図5は、ユーザが装着した支援装置100を側方から観測した図を模式的に示したものである。図5(A)は、ユーザが膝を伸ばした状態を示しており、図5(B)は、ユーザが膝を曲げた状態を示している。符号10、20、30、40は、夫々、大腿リンク、下腿リンク、第1補助リンク、第2補助リンクを示している。大腿リンク10と下腿リンク20は、ジョイント51で連結している。ジョイント51の回転軸はユーザの膝の回転軸線とほぼ一致する。第1補助リンク30の一端はジョイント52で大腿リンク10に連結している。第2補助リンク40は一端はジョイント54で下腿リンク20に連結している。第2補助リンク40の他端はジョイント53で第1補助リンク30の他端と連結している。第1補助リンク30を回転させるモータ55が大腿リンク10(ジョイント52)に取り付けられている。なお、「ジョイント」は「連結部」に相当する。   The technical meaning of the knee lock condition will be described with reference to FIG. FIG. 5 schematically shows a view of the support device 100 worn by the user observed from the side. FIG. 5A shows a state where the user has stretched the knee, and FIG. 5B shows a state where the user has bent the knee. Reference numerals 10, 20, 30, and 40 denote a thigh link, a crus link, a first auxiliary link, and a second auxiliary link, respectively. The thigh link 10 and the crus link 20 are connected by a joint 51. The rotation axis of the joint 51 substantially coincides with the rotation axis of the user's knee. One end of the first auxiliary link 30 is connected to the thigh link 10 by a joint 52. One end of the second auxiliary link 40 is connected to the crus link 20 by a joint 54. The other end of the second auxiliary link 40 is connected to the other end of the first auxiliary link 30 by a joint 53. A motor 55 for rotating the first auxiliary link 30 is attached to the thigh link 10 (joint 52). “Joint” corresponds to “connecting portion”.

図5(A)が示すように、ユーザが膝を伸ばしたとき、ジョイント52、53、及び、54の3点の回転中心は、側方から観測して一直線に並んでいる。即ち膝ロック条件が成立している。この状態でジョイント51に膝屈曲方向の外力トルクが作用しても、第1補助リンク30と第2補助リンク40は、その長手方向(ジョイント52、53、及び、54を結ぶ直線)に沿って力が作用するのであるから、回転しない。別言すると、第1補助リンク30と第2補助リンク40には軸力は作用するがモーメントは作用しないのであるからそれらは回転しない。即ち、膝ロック条件が成立すると、膝関節に屈曲方向の外力トルク(下腿リンク20を矢印Tf方向に回転させるトルク)が作用しても下腿リンク20は回転しない。つまり膝の回転がロックされる。これが、「膝ロック条件」の技術的意義である。   As shown in FIG. 5A, when the user stretches the knee, the three rotation centers of the joints 52, 53, and 54 are aligned in a straight line as observed from the side. That is, the knee lock condition is satisfied. Even if external force torque in the knee flexion direction acts on the joint 51 in this state, the first auxiliary link 30 and the second auxiliary link 40 are along the longitudinal direction (the straight line connecting the joints 52, 53, and 54). Because force acts, it does not rotate. In other words, since the axial force acts on the first auxiliary link 30 and the second auxiliary link 40 but the moment does not act, they do not rotate. That is, when the knee lock condition is satisfied, the lower leg link 20 does not rotate even when an external force torque in the bending direction (torque that rotates the lower leg link 20 in the arrow Tf direction) acts on the knee joint. That is, the rotation of the knee is locked. This is the technical significance of the “knee lock condition”.

なお、屈曲条件、即ち、大腿リンク10と第1補助リンク30のジョイント52の回転中心と、下腿リンク20と第2補助リンク40のジョイント54の回転中心の少なくとも一方が、ユーザが支援装置100を装着した際に側方から観測して、膝関節回転軸(ジョイント51)を通る脚長手方向中心線(直線L1及びL2)よりも後方に位置する、という条件が成立しないと下腿リンク20が膝屈曲方向に回転できないことは、図5から明らかであろう。   Note that at least one of the bending conditions, that is, the rotation center of the joint 52 of the thigh link 10 and the first auxiliary link 30 and the rotation center of the joint 54 of the crus link 20 and the second auxiliary link 40, the user uses the support device 100. If the condition of locating behind the longitudinal center line (straight lines L1 and L2) passing through the knee joint rotation axis (joint 51) is not observed, the crus link 20 will be The inability to rotate in the bending direction will be apparent from FIG.

ジョイント51の回りに外力トルクが作用しても下腿リンク20は回転しないが(膝はロックされたままであるが)、ジョイント52回りに第1補助リンク30にトルクが作用すると、第1補助リンク30は容易に回転し、その結果、下腿リンク20が回転する。即ち、モータ55が第1補助リンク30を回転させるトルクを出力すれば膝のロックは解除される(図5(B))。   Even if external force torque is applied around the joint 51, the crus link 20 does not rotate (although the knee remains locked), but when torque is applied to the first auxiliary link 30 around the joint 52, the first auxiliary link 30 is applied. Rotates easily, and as a result, the lower leg link 20 rotates. That is, if the motor 55 outputs a torque for rotating the first auxiliary link 30, the knee lock is released (FIG. 5B).

このように、ユーザが膝を伸ばしたときに膝ロック条件が成立すると、膝に外力トルクが作用しても、モータ55がトルクを出力せずとも下腿リンクの回転を禁止することができる。即ち、モータ55の出力トルクを要することなく膝折れを防止できる。なお、ジョイント52、53、及び、54の回転中心は、厳密に一直線に並ばなくともよい。概ね一直線であればよい。具体的には、ジョイント52の回転中心とジョイント53の回転中心を結ぶ直線L3と、ジョイント53の回転中心とジョイント54の回転中心を結ぶ直線L4がなす角度が、180±5度程度以内であればよい。その程度の範囲内であれば、ジョイント51に外力トルクが作用したときに第1補助リンク30の回転を禁止するのにモータ55に要求される出力トルクは非常に小さくて済むからである。これは、ジョイント51に作用する外力トルクに起因して第1補助リンク30に生じるトルク(モーメント)が非常に小さいからである。   As described above, when the knee lock condition is satisfied when the user extends the knee, even if the external force torque acts on the knee, the rotation of the lower leg link can be prohibited without the motor 55 outputting the torque. That is, knee breakage can be prevented without requiring the output torque of the motor 55. Note that the rotation centers of the joints 52, 53, and 54 do not have to be strictly aligned. It suffices if it is almost a straight line. Specifically, the angle formed by the straight line L3 connecting the rotation center of the joint 52 and the rotation center of the joint 53 and the straight line L4 connecting the rotation center of the joint 53 and the rotation center of the joint 54 is within about 180 ± 5 degrees. That's fine. This is because, within such a range, the output torque required for the motor 55 to prohibit the rotation of the first auxiliary link 30 when an external force torque acts on the joint 51 is very small. This is because the torque (moment) generated in the first auxiliary link 30 due to the external force torque acting on the joint 51 is very small.

支援装置は、側方向から観測して、第1補助リンクと第2補助リンクがなす角度であって膝を屈曲したときに180度以下となる側の角度が最大でも180度を超えないように制限するストッパを備えると好適である。図5の例では、角度Agが最大でも180度を超えないように制限するストッパを備えることが好適である。より厳密には、第1補助リンクと第2補助リンクがなす角度であって膝を屈曲したときに180度以下となる側の角度が180度+微小角を超えないように制限するストッパを備えると好適である。ここで、微小角とは、概ね5度以下である。図5から明らかなとおり、第1補助リンク30と第2補助リンク40がなす角度Agが180度+微小角のとき、膝関節に対して屈曲方向に作用する外力トルクは、角度Agをさらに増大させる方向に作用する。従って、角度Agを180度+微小角に制限するストッパは、伸びきった膝関節に対して屈曲方向に作用する外力トルクに抵抗し、膝折れを防止する。   The support device observes from the side direction so that the angle formed by the first auxiliary link and the second auxiliary link that is 180 degrees or less when the knee is bent does not exceed 180 degrees at the maximum. It is preferable to provide a limiting stopper. In the example of FIG. 5, it is preferable to include a stopper that limits the angle Ag so that it does not exceed 180 degrees at the maximum. More precisely, a stopper is provided that restricts the angle formed by the first auxiliary link and the second auxiliary link to be 180 degrees or less when the knee is bent so that the angle does not exceed 180 degrees + a minute angle. It is preferable. Here, the minute angle is approximately 5 degrees or less. As is apparent from FIG. 5, when the angle Ag formed by the first auxiliary link 30 and the second auxiliary link 40 is 180 degrees + a small angle, the external force torque acting in the bending direction on the knee joint further increases the angle Ag. Acts in the direction of Therefore, the stopper that limits the angle Ag to 180 degrees + a minute angle resists external force torque acting on the extended knee joint in the bending direction, and prevents knee bending.

上記の支援装置において、第1補助リンクは第2補助リンクよりも短く、アクチュエータは、大腿リンクに取り付けられており第1補助リンクを回転駆動することが好ましい。アクチュエータを下腿リンクに取り付けるよりも大腿リンクに取り付けた方が、ユーザの脚に加わる負担が少ない。さらに、アクチュエータが回転駆動する第1補助リンクが短ければ短いほど、アクチュエータが第1補助リンクに加えるトルク(入力トルク)と、そのトルクに起因して下腿リンクに生じるトルク(出力トルク)の比(即ち減速機構としてのトルク比)が大きくなる。第1補助リンクを短くするには第2補助リンクを長くしなければならない。従って、定性的には、第1補助リンクは第2補助リンクよりも短い方が、トルク比を大きくとれる。即ち、そのように構成すれば、アクチュエータが小さくて済み、支援装置を軽量化できる。或いは、同じサイズのアクチュエータを採用する場合、第1補助リンクが短いほど、下腿リンクを回転させるトルクを大きくすることができる。   In the above support apparatus, it is preferable that the first auxiliary link is shorter than the second auxiliary link, and the actuator is attached to the thigh link and rotationally drives the first auxiliary link. The load on the user's leg is less when the actuator is attached to the thigh link than to the lower leg link. Furthermore, the shorter the first auxiliary link that the actuator rotates, the shorter the torque (input torque) that the actuator applies to the first auxiliary link and the torque (output torque) that occurs in the lower leg link due to that torque ( That is, the torque ratio as a speed reduction mechanism is increased. To shorten the first auxiliary link, the second auxiliary link must be lengthened. Therefore, qualitatively, the torque ratio can be increased when the first auxiliary link is shorter than the second auxiliary link. That is, with such a configuration, the actuator can be small and the support device can be reduced in weight. Or when employ | adopting the actuator of the same size, the torque which rotates a leg link can be enlarged, so that a 1st auxiliary link is short.

本発明によれば、ブレーキを用いることなく、また、アクチュエータに大きなトルクを要求することもなく、立脚の膝折れを防止することのできる歩行支援装置を実現できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the walk assistance apparatus which can prevent the knee break of a standing leg can be implement | achieved, without using a brake and without request | requiring a big torque for an actuator.

歩行支援装置の外観図である。It is an external view of a walking assistance device. 大腿リンクと下腿リンクの連結部分の拡大側面図である。It is an enlarged side view of the connection part of a thigh link and a crus link. ユーザが膝を伸ばした状態に対応する、大腿リンクと下腿リンクの連結部分の拡大側面図である。It is an expanded side view of the connection part of a thigh link and a leg link corresponding to the state where the user extended the knee. ユーザが膝を曲げた状態に対応する、大腿リンクと下腿リンクの連結部分の拡大側面図である。It is an expanded side view of the connection part of a thigh link and a leg link corresponding to the state where the user bent the knee. 歩行支援装置の模式的側面図である。It is a typical side view of a walk assistance device.

図1に、実施例の支援装置100(歩行支援装置)の外観図を示す。この実施例では、支援装置100は、ユーザの左脚に装着される。この支援装置100は、モータ55(アクチュエータ)を備えており、左脚の膝関節にトルクを加え、歩行動作を支援する。支援装置100は、下腿の回転角度(膝角度)を計測する角度センサや、脚の接地を検知する接地センサを備えているとともに、それらセンサの計測結果に基づいてモータ55を制御するコントローラを備えている。各種センサとコントローラは図示を省略してある。   In FIG. 1, the external view of the assistance apparatus 100 (walking assistance apparatus) of an Example is shown. In this embodiment, the support device 100 is worn on the user's left leg. The support device 100 includes a motor 55 (actuator), and applies torque to the knee joint of the left leg to support walking motion. The support device 100 includes an angle sensor that measures the rotation angle (knee angle) of the lower leg and a grounding sensor that detects the grounding of the leg, and a controller that controls the motor 55 based on the measurement results of these sensors. ing. Various sensors and controllers are not shown.

図面で用いる座標系について説明する。X軸はユーザの前後方向を示しており、X軸の正方向が「前方」に相当し、負方向が「後方」に相当する。図面のY軸はユーザの左右方向(側方)を示している。Y軸はピッチ軸とも呼ばれる。Z軸は鉛直方向を示している。これらの座標系のとり方は、ロボットの技術分野において一般的に使われている手法である。   A coordinate system used in the drawings will be described. The X axis indicates the front-rear direction of the user, and the positive direction of the X axis corresponds to “front” and the negative direction corresponds to “rear”. The Y axis in the drawing indicates the left-right direction (side) of the user. The Y axis is also called the pitch axis. The Z axis indicates the vertical direction. These coordinate systems are commonly used in the technical field of robots.

支援装置100は、モータ55を制御するアルゴリズムを様々に変更することによって、歩行動作だけでなく、立ち上がり動作や着座動作の際の膝関節の動き(下腿の動き)を支援する。なお、本明細書が開示する技術は、支援装置の機構に特徴があるのであるから、歩行支援や立ち上がり支援のための制御アルゴリズムについては説明を省略する。   The support device 100 supports not only the walking motion but also the movement of the knee joint (lower leg motion) during the standing-up motion and the seating motion by changing the algorithm for controlling the motor 55 in various ways. Since the technology disclosed in this specification is characterized by the mechanism of the support device, description of the control algorithm for walking support and standing up support is omitted.

支援装置100の機械的構造を説明する。支援装置100は、ユーザの大腿に装着される大腿リンク10と、下腿に装着される下腿リンク20がジョイント52で連結された脚装具構造を有している。下腿リンク20の下端には、ジョイント24を介して足リンク25が連結されている。足リンク25はユーザの足に装着される。「ジョイント」は「連結部」に相当する。   The mechanical structure of the support device 100 will be described. The support device 100 has a leg brace structure in which a thigh link 10 attached to a user's thigh and a crus link 20 attached to a crus are connected by a joint 52. A foot link 25 is connected to the lower end of the lower leg link 20 via a joint 24. The foot link 25 is attached to the user's foot. “Joint” corresponds to “connecting part”.

大腿リンク10は大腿の両側方に伸びるフレームを有しており、両側のフレームは腿当て12によって連結されている。下腿リンク20は下腿の両側方に伸びるフレームを有しており、両側のフレームは膝当て22によって連結されている。   The thigh link 10 has frames extending on both sides of the thigh, and the frames on both sides are connected by thigh pads 12. The crus link 20 has frames extending on both sides of the crus, and the frames on both sides are connected by knee pads 22.

大腿リンク10と下腿リンク20は、一対のジョイント52によって相互に回転可能に連結されている。一対のジョイント52は、ユーザが装着したときに膝両側に位置し、その回転軸線は膝関節の回転軸線(ピッチ軸回りの回転軸線)とほぼ一致する。一方のジョイント52には、モータ55が装備されている。モータ55は、大腿リンク10に固定されている。モータ55は、後述する第1補助リンク30を回転駆動する。   The thigh link 10 and the crus link 20 are connected to each other by a pair of joints 52 so as to be rotatable. The pair of joints 52 are located on both sides of the knee when worn by the user, and the rotation axis thereof substantially coincides with the rotation axis of the knee joint (rotation axis around the pitch axis). One joint 52 is equipped with a motor 55. The motor 55 is fixed to the thigh link 10. The motor 55 rotates the first auxiliary link 30 described later.

図1の破線で囲った部分は、大腿リンク10と下腿リンク20の連結部分を示しており、図2にその連結部分の拡大図が示されている。図3と図4は、連結部分の側面図を示している。なお、図2〜図4では、大腿リンク10と下腿リンク20はそれらのフレームの一部のみが示されている。これらの図に示されているように、大腿リンク10と下腿リンク20の間には2本の補助リンク30、40が連結されており、大腿リンク10、下腿リンク20、第1補助リンク30、及び、第2補助リンク40によって、閉4リンク機構が構成されている。   A portion surrounded by a broken line in FIG. 1 shows a connecting portion of the thigh link 10 and the crus link 20, and an enlarged view of the connecting portion is shown in FIG. 3 and 4 show side views of the connecting portion. 2 to 4, only a part of the frames of the thigh link 10 and the crus link 20 are shown. As shown in these drawings, two auxiliary links 30 and 40 are connected between the thigh link 10 and the crus link 20, and the thigh link 10, the crus link 20, the first auxiliary link 30, The second auxiliary link 40 constitutes a closed 4-link mechanism.

閉4リンク機構の構造を詳しく説明する。第1補助リンク30の一端はジョイント52を介して大腿リンク10に連結されている。第2補助リンク40の一端はジョイント54を介して下腿リンク20に連結されている。第1補助リンク30の他端と第2補助リンク40の他端はジョイント53を介して連結されている。ジョイント51、52、53、54は、いずれもピッチ軸(図のY軸)方向に伸びる回転軸線を有している。即ち、いずれのリンクも、ジョイントを中心にピッチ軸回りに回転することができる。   The structure of the closed 4-link mechanism will be described in detail. One end of the first auxiliary link 30 is connected to the thigh link 10 via a joint 52. One end of the second auxiliary link 40 is connected to the crus link 20 via a joint 54. The other end of the first auxiliary link 30 and the other end of the second auxiliary link 40 are connected via a joint 53. Each of the joints 51, 52, 53, and 54 has a rotation axis extending in the pitch axis (Y-axis in the drawing) direction. That is, any link can rotate around the pitch axis around the joint.

図3、図4の直線L1は、大腿の長手方向の中心線を示しており、L2は下腿の長手方向の中心線を示している。L1とL2を合わせて脚の長手方向中心線と称する。なお、中心線は、四肢の各部位(大腿や下腿など)の両端の関節の中心を結ぶ線分を意味する。図4は、ユーザが直立姿勢をとったときの閉4リンク機構の形態を示しており、大腿リンク10と第1補助リンク30を連結するジョイント52の回転中心は、膝関節回転中心(ジョイント51の回転中心)を通る脚長手方向の中心線L1よりも後方に位置している。下腿リンク20と第2補助リンク40を連結するジョイント54の回転中心も、膝関節回転中心を通る脚長手方向の中心線L2よりも後方に位置している。なお、ジョイント52と54の少なくとも一方が、膝関節回転中心を通る脚の長手方向の中心線L1、L2よりも後方に位置していればよい。この幾何学的条件が前述した屈曲条件に相当する。前述したように、屈曲条件は、下腿リンク20が屈曲側に回転することを保証するための条件にすぎない。   A straight line L1 in FIGS. 3 and 4 indicates a center line in the longitudinal direction of the thigh, and L2 indicates a center line in the longitudinal direction of the lower leg. L1 and L2 are collectively referred to as the longitudinal center line of the leg. The center line means a line segment that connects the centers of joints at both ends of each part of the limb (such as the thigh and the lower leg). FIG. 4 shows a form of a closed four-link mechanism when the user takes an upright posture. The rotation center of the joint 52 connecting the thigh link 10 and the first auxiliary link 30 is the knee joint rotation center (joint 51). The center line L1 in the longitudinal direction of the leg passing through the center of rotation). The rotation center of the joint 54 that connects the lower leg link 20 and the second auxiliary link 40 is also located behind the center line L2 in the leg longitudinal direction passing through the knee joint rotation center. It should be noted that at least one of the joints 52 and 54 only needs to be positioned behind the center lines L1 and L2 in the longitudinal direction of the leg passing through the knee joint rotation center. This geometric condition corresponds to the bending condition described above. As described above, the bending condition is only a condition for ensuring that the lower leg link 20 rotates to the bending side.

図3(A)は、ユーザが直立姿勢をとったときの閉4リンク機構の側面図を示している。図3(B)は、図3(A)における第1補助リンク30と第2補助リンク40の形態を模式的に示した図である。図3に示すように、ユーザが直立姿勢をとったとき、側方(ピッチ軸方向)から観測して、大腿リンク10と第1補助リンク30を連結するジョイント52の回転中心、第1補助リンク30と第2補助リンク40を連結しているジョイント53の回転中心、及び、下腿リンク20と第2補助リンク40を連結しているジョイント54の回転中心がほぼ一直線に並ぶように構成されている。即ち、前述した膝ロック条件が成立する。別言すれば、ユーザが直立姿勢をとったとき、ジョイント52と53の回転中心を結ぶ直線L3と、ジョイント53と54の回転中心を結ぶ直線L4がなす角度Agがほぼ180度である。厳密には、図3(B)に示すように、角度Agは180+微小角である。   FIG. 3A shows a side view of the closed four-link mechanism when the user takes an upright posture. FIG. 3B is a diagram schematically showing the form of the first auxiliary link 30 and the second auxiliary link 40 in FIG. As shown in FIG. 3, when the user takes an upright posture, the rotation center of the joint 52 that connects the thigh link 10 and the first auxiliary link 30 and the first auxiliary link are observed from the side (pitch axis direction). The rotation center of the joint 53 connecting the 30 and the second auxiliary link 40 and the rotation center of the joint 54 connecting the lower leg link 20 and the second auxiliary link 40 are configured to be substantially aligned. . That is, the knee lock condition described above is satisfied. In other words, when the user takes an upright posture, the angle Ag formed by the straight line L3 connecting the rotation centers of the joints 52 and 53 and the straight line L4 connecting the rotation centers of the joints 53 and 54 is approximately 180 degrees. Strictly speaking, as shown in FIG. 3B, the angle Ag is 180 + a minute angle.

図3に示すように、下腿リンク20にはメカストッパ21が設けられている。メカストッパ21は、角度Agが180度+微小角を越えないように制限している。なお、角度Agは、正確に言えば、側方向から観測して、第1補助リンク30と第2補助リンク40がなす角度であって膝を屈曲したときに180度以下となる側の角度である。図4において符号Agが示すように、第1補助リンク30と第2補助リンク40は、ユーザが膝を曲げたときに下腿リンク20に近い側で180以下の角度となる。   As shown in FIG. 3, the crus link 20 is provided with a mechanical stopper 21. The mechanical stopper 21 limits the angle Ag so that it does not exceed 180 degrees + a minute angle. To be precise, the angle Ag is an angle formed by the first auxiliary link 30 and the second auxiliary link 40 when observed from the side direction, which is 180 ° or less when the knee is bent. is there. As indicated by a symbol Ag in FIG. 4, the first auxiliary link 30 and the second auxiliary link 40 have an angle of 180 or less on the side close to the crus link 20 when the user bends the knee.

図3から明らかなとおり、ユーザが膝を伸ばしたとき、膝ロック条件が成立しているので、大腿リンク10と下腿リンク20は回転しない。より具体的には、大腿リンク10、あるいは、下腿リンク20に膝折れ方向の外力トルクが作用しても、第1補助リンク30の長手方向L3と第2補助リンク40の長手方向L4がほぼ一直線となっているので、それら補助リンクが外力トルクに抗し、下腿リンク20の回転を阻止する。即ち、一直線に並んだ2本の補助リンクが、膝折れを防止している。なお、厳密には、外力トルクは角度Agを増大する方向に作用するが、メカストッパ21が角度Agを最大でも180度+微小角に制限しているので、下腿リンク20は回転しない。モータ55が膝折れ防止のためのトルクを出力せずとも、2本の補助リンクが膝折れを防止する。   As apparent from FIG. 3, when the user stretches the knee, the knee lock condition is satisfied, and thus the thigh link 10 and the crus link 20 do not rotate. More specifically, even if an external force torque in the knee bending direction acts on the thigh link 10 or the crus link 20, the longitudinal direction L3 of the first auxiliary link 30 and the longitudinal direction L4 of the second auxiliary link 40 are substantially straight. Therefore, these auxiliary links resist external force torque and prevent rotation of the lower leg link 20. That is, the two auxiliary links arranged in a straight line prevent the knee from being bent. Strictly speaking, the external force torque acts in a direction to increase the angle Ag, but the crus link 20 does not rotate because the mechanical stopper 21 limits the angle Ag to 180 degrees + a minute angle at the maximum. Even if the motor 55 does not output torque for preventing knee breakage, the two auxiliary links prevent knee breakage.

モータ55が第1補助リンク30を回転駆動すると、膝ロックが解除され、さらに回転駆動すると、図4に示すように下腿リンク20を回転させる。モータ55は、膝ロックを解除する機能と、下腿リンク20を揺動させる機能を兼ね備えている。ここで、図3(B)に示すように、モータ55が回転駆動する第1補助リンク30の長さH1は、第2補助リンク40の長さH2よりも短い。従って、モータは、短い方の補助リンク(第1補助リンク30)を回転駆動するので、長い方の補助リンク(第2補助リンク40)を回転駆動する場合よりも、下腿リンク20に発生するトルク(即ち出力トルク)は大きくなる。また、モータ55は大腿リンク10に固定されているので、下腿リンク20に固定される場合と比較してユーザへの負担が小さくて済む。   When the motor 55 rotates the first auxiliary link 30, the knee lock is released, and when the motor 55 further rotates, the lower leg link 20 is rotated as shown in FIG. The motor 55 has a function of releasing the knee lock and a function of swinging the crus link 20. Here, as shown in FIG. 3B, the length H1 of the first auxiliary link 30 that the motor 55 rotates is shorter than the length H2 of the second auxiliary link 40. Accordingly, since the motor rotationally drives the shorter auxiliary link (first auxiliary link 30), the torque generated in the lower leg link 20 than when the longer auxiliary link (second auxiliary link 40) is rotationally driven. (Ie, output torque) increases. Further, since the motor 55 is fixed to the thigh link 10, the burden on the user can be reduced as compared with the case where the motor 55 is fixed to the thigh link 20.

実施例の支援装置100の変形例を説明する。支援装置は、下腿リンクを揺動させるアクチュエータのほかに、膝ロックを解除する補助アクチュエータを備えていてもよい。補助アクチュエータは、例えば、図2に示したメカストッパ21を後方へ伸展させるものでよい。この場合、メカストッパ21が後方へ伸び、第2補助リンク40を時計方向に回転させることによって、ジョイント52、53、及び54の3点が一直線に並ぶ状態が崩れ、膝ロックが解除される。   A modification of the support device 100 according to the embodiment will be described. The support device may include an auxiliary actuator that releases the knee lock in addition to the actuator that swings the lower leg link. For example, the auxiliary actuator may extend the mechanical stopper 21 shown in FIG. 2 backward. In this case, when the mechanical stopper 21 extends rearward and the second auxiliary link 40 is rotated in the clockwise direction, the joints 52, 53, and 54 are not aligned in a straight line, and the knee lock is released.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

10:大腿リンク
20:下腿リンク
21:メカストッパ
24:ジョイント
25:足リンク
30:第1補助リンク
40:第2補助リンク
51、52、53、54:ジョイント
55:モータ
100:歩行支援装置
10: Thigh link 20: Lower leg link 21: Mechanical stopper 24: Joint 25: Foot link 30: First auxiliary link 40: Second auxiliary link 51, 52, 53, 54: Joint 55: Motor 100: Walking support device

Claims (3)

ユーザの大腿に装着される大腿リンクと、
ピッチ軸回りに回転可能に大腿リンクに連結しており、ユーザの下腿に装着される下腿リンクと、
ピッチ軸回りに回転可能に大腿リンクに連結している第1補助リンクと、
ピッチ軸回りに回転可能に下腿リンクに連結しているとともに、先端が第1補助リンクの先端に回転可能に連結している第2補助リンクと、
大腿リンクに対して下腿リンクを回転させるアクチュエータと、
を備えており、
大腿リンクと第1補助リンクの連結部の回転中心と、下腿リンクと第2補助リンクの連結部の回転中心の少なくとも一方が、膝関節回転中心を通る脚の長手方向の中心線よりも後方に位置しており、
ユーザが膝を伸ばしたときに側方から観測して、大腿リンクと第1補助リンクの連結部の回転中心、第1補助リンクと第2補助リンクの連結部の回転中心、及び、下腿リンクと第2補助リンクの連結部の回転中心が一直線に並ぶように構成されていることを特徴とする歩行支援装置。
A thigh link attached to the user's thigh;
A thigh link connected to the thigh link so as to be rotatable about the pitch axis,
A first auxiliary link coupled to the thigh link for rotation about the pitch axis;
A second auxiliary link that is connected to the lower leg link so as to be rotatable around the pitch axis, and whose tip is rotatably connected to the tip of the first auxiliary link;
An actuator for rotating the lower leg link with respect to the thigh link;
With
At least one of the rotation center of the connection part of the thigh link and the first auxiliary link and the rotation center of the connection part of the lower leg link and the second auxiliary link is behind the longitudinal center line of the leg passing through the knee joint rotation center. Located
Observing from the side when the user stretches the knee, the rotation center of the connecting portion of the thigh link and the first auxiliary link, the rotation center of the connecting portion of the first auxiliary link and the second auxiliary link, and the lower leg link A walking support device, characterized in that the rotation centers of the connecting portions of the second auxiliary link are arranged in a straight line.
側方向から観測して、第1補助リンクと第2補助リンクがなす角度であって膝を屈曲したときに180度以下となる側の角度が180度を超えないように制限するストッパを備えることを特徴とする請求項1に記載の歩行支援装置。   A stopper is provided to limit the angle formed by the first auxiliary link and the second auxiliary link, which is an angle formed by the first auxiliary link and the second auxiliary link, and which does not exceed 180 degrees when the knee is bent. The walking support device according to claim 1. 第1補助リンクは第2補助リンクよりも短く、
アクチュエータは、大腿リンクに取り付けられており第1補助リンクを回転駆動することを特徴とする請求項1又は2に記載の歩行支援装置。
The first auxiliary link is shorter than the second auxiliary link,
The walking support device according to claim 1 or 2, wherein the actuator is attached to the thigh link and rotationally drives the first auxiliary link.
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