JP6020787B2 - 関節トルク発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、受動的な脚の腰関節の関節トルク発生装置に関するものである。

近年、受動歩行機が注目されている。受動歩行機は、動力モータやセンサを持たず、制御を一切行わず緩やかな下り坂を歩くことができる。重力効果のみによって、遊脚膝が自然に曲がり、脚の振り抜きが行われる。受動歩行は、自然でエネルギー効率が高いことで知られ、人の歩行に近いとも言われる。
非特許文献1には、人が2脚受動歩行機をアシストすることで平地歩行を実現し、脚式運搬および歩行支援への応用が開示されている。

佐野明人，田部井聡，岩月和輝，太田直幸，池俣吉人，藤本英雄：「アシスト受動歩行によるマルチロール歩行機の開発（１）−脚式運搬，歩行支援およびWalkerTrial−」，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2010講演論文集，1A2-A12，2010年 佐野明人，林祐史，サッチャポン クリッタナイ，松田諭，池俣吉人，藤本英雄：「アシスト受動歩行によるマルチロール歩行機の開発（２）−上体および人間形外装−」，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2010講演論文集，1A2-A13，2010年

非特許文献１に記載の受動歩行機の関節は自由回転で、直接的にトルクを発生させることはできない。たとえば、非特許文献２のように上体と大腿部の間に弾性体を配置することでトルクを発生させることができるが、そのトルク特性はほぼ線形に限られる。非線形なトルク特性を発生させるためには、機構が大掛かりで複雑になる。
本発明は、非線形も含めたトルク特性を容易に設計でき、さらに人の操作によって、脚の位置に対する発生トルクを動作中に調整可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、腰軸と、レバーと、大腿部と、トルク発生機構と、を備えた受動的な脚であって、前記レバーと前記大腿部は前記腰軸を介して相対的に回転し、前記トルク発生機構は、バネとカムの組合せにより前記腰軸まわりに関節トルクを発生させ、前記レバーが操作されることにより、前記カムの形状と前記バネのバネ係数であらかじめ定められたトルク特性に従って、前記大腿部の同じ姿勢における前記関節トルクが、前記レバーの操作の分だけシフトされることを特徴とする関節トルク発生装置である。
これによれば、脚の振り運動をより望ましい動きにする関節トルクを発生させることができる。たとえば、歩行支援をする場合、被支援者の脚の動きを補助する動きを実現できる。また、不整地等で運搬をする場合は、脚の振りを強くして、草などの障害物に妨げられることなく、足を前方に接地させることができる。

本発明の一実施形態に係る脚式運搬機用の関節トルク発生装置の構成を示す図である。 関節トルク発生装置の詳細な構成を示す図である。 カム形状を示す図である。 トルク特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る両脚式歩行支援機用の関節トルク発生装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る片脚式歩行支援機用の関節トルク発生装置の構成を示す図である。 使用者に片脚式歩行支援機を装着した様子を示す図である。 レバーを反対側に延長した場合を示す図である。 レバーを後方に延長した場合を示す図である。

図１に、本発明の一実施形態における脚式運搬機用の関節トルク発生装置の構成を示す。この図では、受動歩行機１に関節トルク発生装置２および運搬カゴ４を備えた状態を示す。前記は、レバー３、腰軸１ｃ、大腿部１ａ、トルク発生機構２から成っている。

図２は、関節トルク発生装置の詳細な構成を示す。前記トルク発生機構２はバネ２ａ、ローラ付きシャフト２ｂ、カム２ｃから成っている。バネ２ａは圧縮バネであり、ローラ付きシャフト２ｂを介してカム２ｃに圧接する。バネ２ａとローラ付きシャフト２ｂを収めたハウジング２ｄが大腿部に固定され、カム２ｃが腰軸に固定される。なお、ハウジング２ｄが腰軸に固定され、カム２ｃが大腿部に固定されても良い。

この接触力（圧接力）により、腰軸まわりにトルクが発生する。前記関節トルクはカム２ｃの形状およびバネ２ａのバネ係数から決まる。カムの形状によって、非線形のトルク特性を生成することができる。たとえば、図３に示すカム形状とすることで、図４に示すような非線形なトルク特性を実現できる。

腰軸１ｃに固定されたレバー３と大腿部１ａの相対的な角度によりトルク特性が決まっている。使用者が、絶対座標系においてレバー３をある位置、たとえば水平位置に固定した状態で大腿部１ａが鉛直の場合、あるトルクが発生する。ここで、レバー３を水平位置から所定の角度上げると、カム形状とバネ係数であらかじめ定められたトルク特性において、当該の角度分だけ発生トルクがシフトし、大腿部１ａが同じ鉛直でも異なるトルクが発生する。これにより、たとえば、より高トルク域で使用することが可能となり，より強く脚を振り出すことができる。

図５に、本発明の一実施形態における両脚式歩行支援機用の関節トルク発生装置の構成を示す。この図では、受動歩行機１の脚の間隔を人（被支援者）が間に入れる程度に広げ、腰軸１ｃと大腿部１ａの位置で、被支援者と連結する装着具５を備えた状態を示す。

図６は、1組の大腿部および下腿部から成る片脚式歩行支援機である。図７は、この片脚式歩行支援機を肩ベルト６を使って使用者７の肩から下げた状態を示す。レバー３は同側に配置され，当該側の手により操作する。図８では、レバー３を反対側まで延長し、当該側の手により操作する。図９では、レバーを後方まで延長する。この場合は、別の人間が後方から当該レバーを操作する。

本実施形態に係るトルク発生装置は、モータなどの動力源を持たないことから、非常に安全であり、コストを抑えることができる。また、歩行中に発生トルクをシフトすることが可能であり、歩行状態に応じて好ましい脚の振りを実現することができる。
なお、本開示は、以下のような発明も包含する。
（発明１）受動的な脚であって、腰軸を介して相対的に回転するレバーと大腿部、バネとカムの組合せにより前記腰軸まわりに関節トルクを発生させるためのトルク発生機構を有することを特徴とする関節トルク発生装置。
（発明２）前記トルク発生機構は、バネがローラ付きシャフトを介してカムに圧接すると、前記関節トルクが発生することを特徴とする発明１に記載の関節トルク発生装置。
（発明３）前記トルク発生機構は、バネとローラ付きシャフトを収めたハウジングが大腿部に固定され，カムが腰軸に固定されることを特徴とする発明２に記載の関節トルク発生装置。
（発明４）前記トルク発生機構は、バネとローラ付きシャフトを収めたハウジングが腰軸に固定され，カムが大腿部に固定されることを特徴とする発明２に記載の関節トルク発生装置。
（発明５）前記レバーを人が操作することにより、大腿部の絶対角度における発生トルクを可変にできることを特徴とする発明１〜４のいずれか１つに記載の関節トルク発生装置。

１ 2脚受動歩行機
１ａ 大腿部
１ｂ 下腿部
１ｃ 腰軸
２ トルク発生機構
２ａ バネ
２ｂ ローラ付きシャフト
２ｃ カム
２ｄ ハウジング
３ レバー
４ 運搬カゴ
５ 装着具
６ 肩ベルト
７ 使用者

Claims (8)

1. 腰軸と、レバーと、大腿部と、トルク発生機構と、を備えた受動的な脚であって、
   前記レバーと前記大腿部は前記腰軸を介して相対的に回転し、
   前記トルク発生機構は、バネとカムの組合せにより前記腰軸まわりに関節トルクを発生させ、
   前記レバーが操作されることにより、前記カムの形状と前記バネのバネ係数であらかじめ定められたトルク特性に従って、前記大腿部の同じ姿勢における前記関節トルクが、前記レバーの操作の分だけシフトされることを特徴とする関節トルク発生装置。
2. 前記大腿部の角度に対して前記関節トルクが非線形に変化するように前記カムの形状が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の関節トルク発生装置。
3. 前記関節トルクの値を、前記大腿部の角度の関数とすると、前記関数の２階微分が、ある角度では正になり、別の角度では負になることを特徴とする請求項２に記載の関節トルク発生装置。
4. 前記大腿部がある角度のときに前記関節トルクがゼロとなるように前記カムの形状が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の関節トルク発生装置。
5. 前記レバーを人の手が操作することにより、前記大腿部の前記所定角度における前記関節トルクを、前記レバーの操作の分だけシフトできることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の関節トルク発生装置。
6. 前記トルク発生機構では、前記バネがローラ付きシャフトを介して前記カムに圧接すると、前記関節トルクが発生することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の関節トルク発生装置。
7. 前記トルク発生機構は、前記バネと前記ローラ付きシャフトを収めたハウジングが前記大腿部に固定され、前記カムが前記腰軸に固定されることを特徴とする請求項６に記載の関節トルク発生装置。
8. 前記トルク発生機構は、前記バネと前記ローラ付きシャフトを収めたハウジングが前記腰軸に固定され、前記カムが前記大腿部に固定されることを特徴とする請求項６に記載の関節トルク発生装置。