JP6086603B2 - Joint motion assist device - Google Patents
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Description
本発明は、関節運動アシスト装置に係り、より詳しくは、所定対象物の関節運動をアシストする外骨格型の関節運動アシスト装置に関する。 The present invention relates to a joint motion assist device, and more particularly, to an exoskeleton joint motion assist device that assists joint motion of a predetermined object.
従来から、要介護者・要看護者の介護・看護に用いられる様々な装置が提案されている。こうした装置の中には、介護者が、身体の自由が効かない寝たきりの高齢者等の被介護者を抱き起したり、抱き下ろしたり、あるいは移動させるための介護用の外骨格型の筋力補助装置がある。 Conventionally, various devices have been proposed for use in the care and nursing of care recipients and nurses. In these devices, the caregiver's exoskeleton-type muscle strength assistance for the caregiver to wake up, hold down, or move a caregiver, such as a bedridden elderly person whose physical freedom does not work There is a device.
かかる筋力補助装置の一つとして、内部に供給される空気により膨張する袋体(以下、当該袋体を、「エアバック」とも記す)をアクチュエータとして用いたものがある(特許文献1参照:以下、「従来例」と呼ぶ)。こうしたエアバック等の膨縮可能なアクチュエータを用いた筋力補助装置は、空気圧シリンダ型アクチュエータやマッキベン型空気圧アクチュエータを用いる方式の装置よりも軽量であるため、実用性が高い。また、エアバック等の伸縮可能なアクチュエータは、低圧での駆動が可能であるため、ダイヤフラム式ポンプやベーン式ポンプなどの低振動、低騒音のポンプを使用することができる。こうした点からも、エアバック等の膨縮可能なアクチュエータを用いた筋力補助装置は、実用性が高いといえる。 As one of such muscular strength assisting devices, there is one that uses a bag body (hereinafter, the bag body is also referred to as “air bag”) that is inflated by the air supplied therein as an actuator (see Patent Document 1 below). , Called “conventional example”). Such a muscle force assisting device using an inflatable / shrinkable actuator such as an air bag is more practical than a device using a pneumatic cylinder type actuator or a Mackiben type pneumatic actuator, and thus has high practicality. In addition, since an extendable actuator such as an air bag can be driven at a low pressure, a low vibration and low noise pump such as a diaphragm pump or a vane pump can be used. From this point of view, it can be said that a muscle force assisting device using an inflatable / shrinkable actuator such as an air bag is highly practical.
この従来例の技術では、一端部を中心に相互に揺動自在に連結された2つの板材、及び、当該2つの板材の間に配置され内部に供給される空気により膨張する袋体からなるアクチュエータ要素を重ねた空気圧アクチュエータを人体における所定箇所に装着した装着部に取り付ける。そして、空気圧アクチュエータにおける袋体を膨張させて、肘関節、腰関節及び膝関節の運動を補助するようになっている。ここで、従来例の技術では、腰関節の運動を補助する腰部装着ユニットは、腰関節の伸展時及び屈曲時の双方において、背部における臀部から大きく突出する構造となっている。 In this prior art technique, an actuator comprising two plate members that are pivotably connected to each other around one end portion, and a bag body that is disposed between the two plate members and expands by air supplied to the inside. A pneumatic actuator with overlapping elements is attached to a mounting portion that is mounted at a predetermined location on the human body. And the bag body in a pneumatic actuator is expanded, and the movement of an elbow joint, a waist joint, and a knee joint is assisted. Here, in the technology of the conventional example, the lumbar part mounting unit that assists the motion of the lumbar joint has a structure that largely protrudes from the buttocks in the back part when the lumbar joint is extended and bent.
ところで、介護者が、被介護者をベッド等から抱き起したり、あるいは抱き下ろしたりする際には、腰関節を屈曲させるため、腰関節を屈曲させた姿勢を確保するための空間が必要となる。 By the way, when the caregiver wakes up or hangs up the caregiver from the bed or the like, the waist joint is bent, so a space for securing the posture where the waist joint is bent is required. Become.
しかしながら、上述した従来例の技術では、腰関節の屈曲時において、腰部装着ユニットが、背部における臀部から大きく突出する。この結果、被介護者を抱き起したり、抱き下ろしたりするときには、従来例の腰部装着ユニットを装着しない場合に比べて、腰部装着ユニットの装着者の前後方向に、さらに広い空間が必要となる。したがって、介護のための作業空間が制限される一般住宅等では、介護者を抱き起したり、抱き下ろしたりしようとするときに、当該装置を利用することが困難になることがある。 However, in the above-described conventional technique, the waist mounting unit largely protrudes from the buttocks at the back when the hip joint is bent. As a result, when waking up or hugging the care recipient, a larger space is required in the front-rear direction of the wearer of the waist mounting unit than when the waist mounting unit of the conventional example is not worn. . Therefore, in a general house where a work space for care is limited, it may be difficult to use the device when the caregiver is to be hung up or hung down.
このため、膨縮可能な空気圧式のアクチュエータを用いた外骨格型の関節運動アシスト装置を利用する際に、腰関節の屈曲姿勢(屈曲状態)時において、腰部装着ユニットが臀部から大きく突出することを防止することができる技術が望まれている。かかる要請に応えることが、本発明が解決すべき課題の一つとして挙げられる。 For this reason, when using an exoskeleton-type joint motion assist device using a pneumatic actuator that can be expanded and contracted, the waist mounting unit protrudes greatly from the buttocks when the hip joint is bent (bent). There is a demand for a technique that can prevent the above-described problem. Meeting this requirement is one of the problems to be solved by the present invention.
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、構造をコンパクトにするとともに、関節運動を適切にアシストすることができる関節運動アシスト装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a joint motion assist device capable of appropriately assisting joint motion while making the structure compact.
本発明は、骨格構造を有する所定対象物に装着し、前記所定対象物の一方側部位と他方側部位とを接続している関節の機構を利用する関節運動をアシストする外骨格型の関節運動アシスト装置であって、前記一方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記一方側部位に装着される第1外骨格部材と;前記他方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記他方側部位に装着される第2外骨格部材と;前記第1外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第1外骨格部材が前記一方側部位に装着されている時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部に歯部が形成された第1外歯歯車部材と;前記第2外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第2外骨格部材が前記他方側部位に装着されている時において、前記第1外歯歯車部材と噛合する歯部が、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部に形成された第2外歯歯車部材と;前記第2外歯歯車部材が内接噛合し、前記第1外歯歯車部材の中心軸を中心とする内周部に内歯歯車が形成されている内歯形成部材と;前記第1外歯歯車部材の軸位置を中心とする第3外歯歯車部材と;前記第1外歯歯車部材の軸と平行な軸を軸方向として前記内歯形成部材に成形された軸穴に中心軸が挿入され、前記第3外歯歯車部材と噛合する第4外歯歯車部材と;前記関節運動をアシストする力を発生させる膨縮部材と;前記内歯形成部材に成形された前記軸穴に近接して前記内歯形成部材に固定され、前記膨縮部材の一方側端部と接続される長形状の第1接続用部材と;前記第4外歯歯車部材に固定され、前記膨縮部材の他方側端部と接続される長形状の第2接続用部材と;を備え、前記第4外歯歯車部材、前記第1接続用部材及び前記第2接続用部材は、前記関節の伸展側に配置され、前記膨縮部材の膨張行程又は収縮行程により、前記第1接続用部材と前記第2接続用部材との交差する角度が変化し、前記第3外歯歯車部材を相対静止させた系において、前記第4外歯歯車部材が、前記第3外歯歯車部材の中心軸を中心にして前記第3外歯歯車部材の周りを公転することにより、前記内歯歯車が回動し、前記第1外歯歯車部材に固定的に接続されている第1外骨格部材と、前記第2外歯歯車部材に固定的に接続されている第2外骨格部材とが交差する角度が変化し、前記関節の運動をアシストする、ことを特徴とする関節運動アシスト装置である。 The present invention is an exoskeleton-type joint motion that is attached to a predetermined object having a skeletal structure and assists the joint movement using a joint mechanism that connects one side portion and the other side portion of the predetermined object. A first exoskeleton member attached to the one side portion along a direction in which the one side portion extends from the joint; and an assist device, wherein the other side portion extends from the joint, A second exoskeleton member attached to the other side part; fixedly connected to the joint side end of the first exoskeleton member, and the first exoskeleton member attached to the one side part A first external gear member having a tooth portion formed on an outer peripheral portion along a rotational movement direction of the joint; and fixedly connected to the joint-side end portion of the second exoskeleton member. The second exoskeleton member is mounted on the other side portion. And a second external gear member formed on an outer peripheral portion along a rotational movement direction of the joint; and a second external gear member that engages with the first external gear member; An internal gear forming member in which a gear member is inscribed and an internal gear is formed in an inner periphery centering on a central axis of the first external gear member; and an axial position of the first external gear member A third external gear member centered on the shaft; a central axis is inserted into a shaft hole formed in the internal gear forming member with an axis parallel to the axis of the first external gear member as an axial direction; A fourth external gear member that meshes with the external gear member; an expansion / contraction member that generates a force for assisting the joint movement; and the internal tooth formation in proximity to the shaft hole formed in the internal tooth formation member A long first connecting member fixed to the member and connected to one end of the expansion / contraction member; and the fourth external tooth A long second connection member fixed to the member and connected to the other end of the expansion / contraction member, and the fourth external gear member, the first connection member, and the second connection. The connecting member is disposed on the extension side of the joint, and an angle at which the first connecting member and the second connecting member intersect with each other changes according to an expansion stroke or a contraction stroke of the expansion / contraction member. In the system in which the external gear member is relatively stationary, the fourth external gear member revolves around the third external gear member around the central axis of the third external gear member, A first exoskeleton member rotatingly connected to the first external gear member and a second exoskeleton fixedly connected to the second external gear member. The angle of intersection with the member changes to assist the movement of the joint. It is a dynamic assist device.
この関節運動アシスト装置では、所定対象物に当該装置が装着された場合に、第1外骨格部材に固定的に接続された第1外歯歯車部材の中心軸、及び、当該第1外歯歯車部材と噛合する第2外骨格部材に固定的に接続された第2外歯歯車部材の中心軸が、アシスト対象関節の回動運動の回動軸と略平行となっている。そして、膨縮部材の膨張行程又は収縮行程により、第1接続用部材と第2接続用部材との交差する角度が変化すると、第3外歯歯車部材を相対静止させた系において、第2接続用部材に固定されている第4外歯歯車部材が、第3外歯歯車部材の周りを自転しつつ公転する。 In this joint motion assist device, when the device is mounted on a predetermined object, the central axis of the first external gear member fixedly connected to the first exoskeleton member, and the first external gear The central axis of the second external gear member fixedly connected to the second exoskeleton member meshing with the member is substantially parallel to the rotational axis of the rotational movement of the assist target joint. Then, when the intersecting angle of the first connecting member and the second connecting member changes due to the expansion stroke or contraction stroke of the expansion / contraction member, the second connection in the system in which the third external gear member is relatively stationary. The fourth external gear member fixed to the member for use revolves while rotating around the third external gear member.
このようにして第4外歯歯車部材が第3外歯歯車部材の周りを公転すると、第4外歯歯車部材の軸が挿入されている内歯形成部材が、第1外歯歯車部材の中心軸を中心にして回動する。こうして内歯形成部材が回動すると、内歯形成部材の内歯歯車に内接噛合している第2外歯歯車部材が内歯歯車と同方向に回動し、当該第2外歯歯車部材に噛合している第1外歯歯車部材が第2外歯歯車部材の回転と逆方向に回動する。この結果、所定対象物の一方側部位が固定された第1外骨格部材と、他方側部位が固定された第2外骨格部材とが交差する角度が変化し、受動的に、一方側部位と他方側部位とを接続している関節の運動がアシストされる。 When the fourth external gear member revolves around the third external gear member in this way, the internal tooth forming member into which the shaft of the fourth external gear member is inserted is the center of the first external gear member. Rotate around an axis. When the internal tooth forming member rotates in this way, the second external gear member inscribed in mesh with the internal gear of the internal tooth forming member rotates in the same direction as the internal gear, and the second external gear member The first external gear member meshing with the second external gear member rotates in the direction opposite to the rotation of the second external gear member. As a result, the angle at which the first exoskeleton member to which the one side portion of the predetermined object is fixed and the second exoskeleton member to which the other side portion is fixed changes, and passively The movement of the joint connecting the other side part is assisted.
したがって、本発明の関節運動アシスト装置によれば、構造をコンパクトにするとともに、膨縮部材の膨張行程及び収縮行程を制御して、関節運動を適切にアシストすることができる。 Therefore, according to the joint motion assist device of the present invention, it is possible to make the structure compact and to appropriately assist the joint motion by controlling the expansion stroke and the contraction stroke of the expansion / contraction member.
ここで、「所定対処物」は、人体であってもよいし、骨格構造を有する人体以外の対象物であってもよい。 Here, the “predetermined object” may be a human body or an object other than a human body having a skeleton structure.
本発明の関節運動アシスト装置では、前記第2外歯歯車部材は、前記第1接続用部材と前記第2接続用部材との交差する角度が狭くなるときに、前記関節の屈曲側からみて、前記第1外歯歯車部材の歯部が移動していく方向側に配置される、ようにすることができる。 In the joint motion assist device of the present invention, the second external gear member is viewed from the bending side of the joint when the angle at which the first connection member and the second connection member intersect is narrowed, The tooth portion of the first external gear member can be arranged on the moving direction side.
このように、関節の屈曲側からみて、第2外歯歯車部材が、第1外歯歯車部材の歯部との噛み合いが開始される方向側に配置される場合には、第1接続用部材と第2接続用部材との交差する角度が狭くなるときに、第1外歯歯車部材に固定されている第1外骨格部材と、第2外歯歯車部材に固定されている第2外骨格部材とが交差する角度が狭くなり、関節は屈曲状態になる。また、この場合には、第1接続用部材と第2接続用部材との交差する角度が広くなるときに、第1外歯歯車部材に固定されている第1外骨格部材と、第2外歯歯車部材に固定されている第2外骨格部材とが交差する角度が広くなり、関節は伸展状態になる。このため、関節の屈曲状態では、膨縮部材は収縮しているため、関節の屈曲状態時における構造をコンパクトにすることができる。 As described above, when the second external gear member is arranged on the direction side where the meshing with the tooth portion of the first external gear member is started when viewed from the bending side of the joint, the first connection member The first exoskeleton member fixed to the first external gear member and the second exoskeleton fixed to the second external gear member when the intersecting angle between the first connecting member and the second connecting member becomes narrower The angle at which the member intersects is narrowed, and the joint is bent. Further, in this case, when the intersecting angle between the first connecting member and the second connecting member becomes wide, the first exoskeleton member fixed to the first external gear member and the second outer member The angle at which the second exoskeleton member fixed to the toothed gear member intersects becomes wider, and the joint is in an extended state. For this reason, since the expansion / contraction member contracts in the bent state of the joint, the structure in the bent state of the joint can be made compact.
ここで、前記膨縮部材の膨張行程により、前記第4外歯歯車部材を略中心にして、前記第1接続用部材と前記第2接続用部材との交差する角度が広がり、前記第3外歯歯車部材を相対静止させた系において、前記第4外歯歯車部材が、前記第3外歯歯車部材の中心軸を中心にして前記第3外歯歯車部材の周りを、前記第2接続用部材が前記第1接続用部材から遠ざかる方向に公転することにより、前記内歯歯車が前記遠ざかる方向に回転し、前記内歯歯車の前記遠ざかる方向の回転により、前記内歯歯車に噛合している前記第2外歯歯車部材が前記内歯歯車の回転と同方向に回転し、前記第2外歯歯車部材に噛合している前記第1外歯歯車部材が前記内歯歯車の回転と逆方向に回転することで、前記第1外骨格部材と前記第2外骨格部材とが交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、ようにすることができる。この場合には、第1接続用部材と第2接続用部材との間に挟まれた膨縮部材を収縮させた状態から膨張させることで、関節を屈曲状態から伸展状態にすることができる。 Here, due to the expansion stroke of the expansion / contraction member, an angle at which the first connection member and the second connection member intersect with each other about the fourth external gear member is increased, and the third external gear member In the system in which the tooth gear members are relatively stationary, the fourth external gear member is connected to the second external gear member around the third external gear member about the central axis of the third external gear member. When the member revolves away from the first connecting member, the internal gear rotates in the away direction, and meshes with the internal gear as the internal gear rotates in the away direction. The second external gear member rotates in the same direction as the rotation of the internal gear, and the first external gear member engaged with the second external gear member is in the direction opposite to the rotation of the internal gear. To rotate the first exoskeleton member and the second exoskeleton member Spread angle of difference is in the extended state the joint from the bent state can be so. In this case, the joint can be changed from the bent state to the extended state by expanding the expansion / contraction member sandwiched between the first connection member and the second connection member from the contracted state.
また、前記膨縮部材の収縮行程により、前記第4外歯歯車部材を略中心にして、前記第1接続用部材と前記第2接続用部材との交差する角度が狭まり、前記第3外歯歯車部材を相対静止させた系において、前記第4外歯歯車部材が、前記第3外歯歯車部材の中心軸を中心にして前記第3歯車部材の周りを、前記第2接続用部材が前記第1接続用部材に近づく方向に公転することにより、前記内歯歯車が前記近づく方向に回転し、前記内歯歯車の前記近づく方向の回転により、前記内歯歯車に噛合している前記第2外歯歯車部材が前記内歯歯車の回転と同方向に回転し、前記第2外歯歯車部材に噛合している前記第1外歯歯車部材が前記内歯歯車の回転と逆方向に回転することで、前記第1外骨格部材と前記第2外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にする、ようにすることができる。この場合には、第1接続用部材と第2接続用部材との間に挟まれた膨縮部材を膨張させた状態から収縮させることで、関節を伸展状態から屈曲状態にすることができる。 Further, due to the contraction process of the expansion / contraction member, the angle at which the first connection member and the second connection member intersect with each other about the fourth external gear member becomes narrow, and the third external gear In the system in which the gear member is relatively stationary, the fourth external gear member is around the third gear member around the central axis of the third external gear member, and the second connecting member is the By revolving in the direction approaching the first connecting member, the internal gear rotates in the approaching direction, and the second gear meshes with the internal gear by the rotation of the internal gear in the approaching direction. The external gear member rotates in the same direction as the rotation of the internal gear, and the first external gear member engaged with the second external gear member rotates in the direction opposite to the rotation of the internal gear. The angle at which the first exoskeleton member and the second exoskeleton member intersect is Mari, to flexion of the joint from the extended state, can be so. In this case, the joint can be changed from the extended state to the bent state by contracting the expansion / contraction member sandwiched between the first connection member and the second connection member from the expanded state.
本発明の関節運動アシスト装置では、前記関節が伸展状態のときには、前記第2外骨格部材の長さ方向と前記第1接続用部材の長さ方向とが略平行になる、ようにすることができる。 In the joint motion assist device of the present invention, when the joint is in the extended state, the length direction of the second exoskeleton member and the length direction of the first connecting member are substantially parallel to each other. it can.
この場合には、関節が伸展状態のときに、第4外歯歯車部材を略中心(交点)にして、第1接続用部材と第2接続用部材との交差する角度が広がるが、第1接続用部材の長さ方向と他方側部位に固定される第2外骨格部材の長さ方向とが略平行になるため、関節の伸展状態時において、関節運動アシスト装置の構造をコンパクトにすることができる。また、こうした構造を採用した場合には、関節の屈曲状態時において、関節運動アシスト装置の構造をコンパクトにすることができる。 In this case, when the joint is in the extended state, the angle at which the first connecting member and the second connecting member intersect with each other increases with the fourth external gear member approximately at the center (intersection). Since the length direction of the connecting member is substantially parallel to the length direction of the second exoskeleton member fixed to the other side portion, the structure of the joint motion assist device can be made compact when the joint is extended. Can do. In addition, when such a structure is employed, the structure of the joint motion assist device can be made compact when the joint is bent.
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記第2外歯歯車部材の径は、前記第1外歯歯車部材の径と同一である、ようにすることができる。この場合には、第3外歯歯車部材を相対静止させた系において、第1外骨格部材と第2外骨格部材とが交差の角度が変化するときに、第1外骨格部材が変化する角度の絶対値と第2外骨格部材が変化する角度の絶対値とが等しくなる。ここで、上記のように第1外骨格部材が変化する角度の絶対値と第2外骨格部材が変化する角度の絶対値とが等しくなる構造は、人体の腰関節及び膝関節が連動した当該2つの関節の屈伸運動の動きに適していることが、本発明者の研究の結果から得られている。このため、人体の腰関節の運動を適切にアシストすることができる。 In the joint motion assist device of the present invention, the diameter of the second external gear member may be the same as the diameter of the first external gear member. In this case, in the system in which the third external gear member is relatively stationary, the angle at which the first exoskeleton member changes when the angle of intersection between the first exoskeleton member and the second exoskeleton member changes. And the absolute value of the angle at which the second exoskeleton member changes are equal. Here, as described above, the structure in which the absolute value of the angle at which the first exoskeleton member changes and the absolute value of the angle at which the second exoskeleton member changes are equal to each other when the hip joint and knee joint of the human body are linked. It has been obtained from the results of the inventor's research that it is suitable for the movement of bending and stretching movements of two joints. For this reason, the motion of the hip joint of the human body can be assisted appropriately.
本発明の関節運動アシスト装置では、前記第2外歯歯車部材と同一の径であり、前記第1外歯歯車部材に噛合するとともに、前記内歯歯車に内接噛合する第5外歯歯車部材を更に備える、構成とすることができる。この場合には、第1外歯歯車部材、第2外歯歯車部材及び内場形成部材の内歯歯車にかかる力を分散させて、関節運動アシスト装置の耐久性を高めることができる。また、第1外歯歯車部材、第2外歯歯車部材及び第5外歯歯車部材の中心が直線上となるように配置したときには、内歯歯車の中心位置を第1外歯歯車部材の中心位置に配置することができる。 In the joint motion assist device of the present invention, the fifth external gear member has the same diameter as the second external gear member, meshes with the first external gear member, and meshes internally with the internal gear. It can be set as the structure further provided. In this case, the force applied to the internal gears of the first external gear member, the second external gear member, and the internal field forming member can be dispersed to enhance the durability of the joint motion assist device. When the first external gear member, the second external gear member, and the fifth external gear member are arranged so that the centers thereof are linear, the center position of the internal gear is the center of the first external gear member. Can be placed in position.
また、本発明の関節運動アシスト装置では、第2外歯歯車部材と同一径の第5外歯歯車部材を更に備える構成とした場合に、前記第2外歯歯車部材と同一の径であり、前記第1外歯歯車部材に噛合するとともに、前記内歯歯車に内接噛合する第6外歯歯車部材及び第7外歯歯車部材を更に備える、構成とすることができる。この場合には、第1外歯歯車部材、第2外歯歯車部材及び内歯形成部材の内歯歯車にかかる力を更に分散させ、関節運動アシスト装置の耐久性を一層、高めることができる。また、例えは、第1外歯歯車部材、第2外歯歯車部材及び第5外歯歯車部材の中心を直線上に配置したときには、内歯歯車の中心位置を第1外歯歯車部材の中心位置に配置することができる。 Further, in the joint motion assist device of the present invention, when it is configured to further include a fifth external gear member having the same diameter as the second external gear member, it has the same diameter as the second external gear member, A sixth external gear member and a seventh external gear member that mesh with the first external gear member and mesh with the internal gear may be further provided. In this case, the force applied to the internal gears of the first external gear member, the second external gear member, and the internal gear forming member can be further dispersed to further enhance the durability of the joint motion assist device. For example, when the centers of the first external gear member, the second external gear member, and the fifth external gear member are arranged on a straight line, the center position of the internal gear is the center of the first external gear member. Can be placed in position.
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記膨縮部材内の作動流体圧を調整する調整部を更に備える、構成とすることができる。この場合には、調整部が膨縮部材内の作動流体圧を調整するため、膨縮部材は、屈曲及び伸展の少なくとも一方についての関節運動をアシストする力を発生することができる。 The joint motion assist device of the present invention may further include an adjustment unit that adjusts the working fluid pressure in the expansion / contraction member. In this case, since the adjusting unit adjusts the working fluid pressure in the expansion / contraction member, the expansion / contraction member can generate a force that assists joint motion in at least one of bending and extension.
また、本発明の関節運動アシスト装置では、前記所定対象物の関節は、人体の腰関節であり、前記第1外骨格部材は大腿部に装着され、前記第2外骨格部材は腰部に装着される、ようにすることができる。この場合には、人体の腰関節の運動をアシストすることができる。 In the joint motion assist device of the present invention, the joint of the predetermined object is a hip joint of a human body, the first exoskeleton member is attached to the thigh, and the second exoskeleton member is attached to the waist. Can be. In this case, it is possible to assist the exercise of the hip joint of the human body.
以上説明したように、本発明の関節運動アシスト装置によれば、構造がコンパクトであるとともに、関節運動を適切にアシストすることができるという効果を奏する。 As described above, according to the joint motion assist device of the present invention, the structure is compact and the joint motion can be appropriately assisted.
以下、本発明の一実施形態を、図1〜図9を参照して説明する。なお、本実施形態においては、所定対象物としての人体の腰関節の機構を利用して行われる関節運動をアシストする関節運動アシスト装置を例示して説明する。また、以下の説明及び図面においては、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a joint motion assist device that assists joint motion performed using a mechanism of a hip joint of a human body as a predetermined object will be described as an example. In the following description and drawings, the same or equivalent elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
ここで、本発明の関節運動アシスト装置は、人体の左側及び右側に装着されるが、人体の左側に装着される関節運動アシスト装置を例示して説明する。なお、人体の右側に装着される関節運動アシスト装置については、人体の左側に装着される関節運動アシスト装置と同様に構成されている。 Here, the joint motion assist device of the present invention is mounted on the left side and the right side of the human body, and the joint motion assist device mounted on the left side of the human body will be described as an example. The joint motion assist device mounted on the right side of the human body is configured in the same manner as the joint motion assist device mounted on the left side of the human body.
[構成]
図1には、一実施形態に係る関節運動アシスト装置100の外観図が示されている。この図1は、人体の腰部及び左大腿部に装着される関節運動アシスト装置100を、腰関節が伸展状態にあるときの人体の左側から眺めた外観図(XZ平面視図)である。
[Constitution]
FIG. 1 is an external view of a joint
ここで、図1における座標系(X,Y,Z)は、関節運動アシスト装置100が人体に装着された場合に、人体の正面方向を+X方向、人体の右側から左側へと向かう方向を+Y方向、鉛直上方方向を+Z方向とする座標系である。このため、当該座標系(X,Y,Z)では、Y軸方向と腰関節の回動運動の回動軸方向とが略平行となっている。
Here, the coordinate system (X, Y, Z) in FIG. 1 indicates that the front direction of the human body is + X direction and the direction from the right side to the left side of the human body is + Y when the joint
図1に示されるように、関節運動アシスト装置100は、腰部装着ユニット110と、調整部180と、配管190とを備えている。なお、図1では、調整部180及び配管190は外観ではなく、腰部装着ユニット110との関係が概念的に示されている。本実施形態では、関節運動アシスト装置100は、ベルト部材511及びベルト部材512により、左大腿部及び腰部に装着される。
As shown in FIG. 1, the joint
<腰部装着ユニット110の構成>
上記の腰部装着ユニット110の構成について説明する。腰部装着ユニット110は、図1〜図4により総合的に示されるように、本実施形態では、個別腰部装着ユニット1201,1202と、軸部材AX1,AX2,AXAと、ベローズ130(図2〜図4においては不図示)とを備えている。
<Configuration of
The configuration of the
ここで、図2は、ベローズ130を除いた腰部装着ユニット110を、図2に示した座標系で視た斜視図である。また、図3は、ベローズ130を除いた腰部装着ユニット110を、−X方向側から視た平面視図である。さらに、図4は、ベローズ130を除いた腰部装着ユニット110を、個別腰部装着ユニット1201及び個別腰部装着ユニット1202、並びに、軸部材AX1、軸部材AX2及び軸部材AXAに分離したときの分解斜視図である。
Here, FIG. 2 is a perspective view of the
本実施形態では、ベローズ130を除いた腰部装着ユニット110は、図2〜図4に示されるように、腰部装着ユニットの強度を確保する観点から、個別腰部装着ユニット1201の+Y方向側の部材(後述する大腿外骨格部材及び腰外骨格部材)と、個別腰部装着ユニット1202の−Y方向側の部材(後述する大腿外骨格部材及び腰外骨格部材)とを固着している。そして、個別腰部装着ユニット1201及び個別腰部装着ユニット1202に成形された軸穴に、軸部材AX1,AX2,AXAを挿入し、ベローズ130を除いた腰部装着ユニット110が構成されている。
In this embodiment, the
《個別腰部装着ユニット1201,1202の構成》
次に、上記の個別腰部装着ユニット1201の構成について説明する。個別腰部装着ユニット1201は、図5、図6(A),(B)により総合的に示されるように、第1外骨格部材としての大腿外骨格部材211と、第1外歯歯車部材212と、第2外骨格部材としての腰外骨格部材221と、第2外歯歯車部材222とを備えている。また、個別腰部装着ユニット1201は、第5外歯歯車部材としての補強用外歯歯車部材231と、内歯形成部材241と、第3外歯歯車部材243とを備えている。さらに、個別腰部装着ユニット1201は、第1接続用部材251と、第2接続用部材252と、第4外歯歯車部材254とを備えている。
<< Configuration of Individual
Next, the configuration of the individual
ここで、図5は、軸部材AX1,AX2,AXAが挿入された状態の個別腰部装着ユニット1201を、+Y方向側から視た平面視図である。また、図6(A)は、個別腰部装着ユニット1201を、図6(A)に示した座標系で視た斜視図であり、図6(B)は、個別腰部装着ユニット1201を、図6(B)に示した座標系で視た斜視図である。なお、図6(A),(B)では、個別腰部装着ユニット1201における軸部材AX1,AX2,AXAが挿入される軸穴については、該当する軸部材の符号に括弧を付して示すようにしている。
Here, FIG. 5 is a plan view of the individual
上記の大腿外骨格部材211は、例えば、長形状の鋼鉄製の部材である。この大腿外骨格部材211は、左大腿部が腰関節から延びる方向に沿って、左大腿部の左側(+Y方向側)に配置され、金属製のベルト部材511(図1参照)に取り付けられて、左大腿部に固定される。
The
上記の第1外歯歯車部材212は、軸部材AX1を中心軸とし、当該軸部材AX1が挿入される円柱形状の鋼鉄製の部材である。第1外歯歯車部材212は、大腿外骨格部材211の腰関節側端部に固定的に接続されている。そして、第1外歯歯車部材212の外周部には、歯すじが軸に平行な歯部が形成されている。ここで、軸部材AX1の軸方向は、腰関節の回動運動の回動軸と略平行となるY軸方向と平行になっている。
The first
なお、本実施形態では、第1外歯歯車部材212は、大腿外骨格部材211の腰関節側端部から−Y方向側に迫り出すようにして接続されている(図6(A)参照)。
In the present embodiment, the first
上記の腰外骨格部材221は、例えば、長形状の鋼鉄製の部材である。この腰外骨格部材221は、腰部が腰関節から背部へと延びる方向に沿って、腰部の左側(+Y方向側)に配置され、金属製のベルト部材512(図1参照)に取り付けられて、腰部左側に固定される。
The
上記の第2外歯歯車部材222は、軸部材AX2を中心軸とし、当該軸部材AX2が挿入される円柱形状の鋼鉄製の部材である。第2外歯歯車部材222は、腰外骨格部材221の腰関節側端部に固定的に接続されている。そして、第2外側歯車部材222の外周部には、歯すじが軸に平行な歯部が形成され、当該歯部は、第1外歯歯車部材212の歯部に噛合するとともに、内歯形成部材241の歯部に内接噛合するようになっている。ここで、本実施形態では、軸部材AX2の軸方向は、軸部材AX1の軸方向と平行になっている。また、第2外歯歯車部材222の径は、第1外歯歯車部材212の径と同一となっている。
The second
なお、本実施形態では、第2外歯歯車部材222は、腰外骨格部材221の腰関節側端部から−Y方向側に迫り出すようにして接続されている(図6(A)参照)。
In the present embodiment, the second
上記の補強用外歯歯車部材231は、Y軸方向と平行な軸部材AXBを中心軸とする円柱形状の鋼鉄製の部材である。そして、補強用外歯歯車部材231の外周部には、歯すじが軸に平行な歯部が形成され、当該歯部は、第1外歯歯車部材212の歯部に噛合するとともに、内歯形成部材241の歯部に内接噛合するようになっている。
The reinforcing
ここで、補強用外歯歯車部材231の径は、第2外歯歯車部材222の径と同一となっている。また、補強用外歯歯車部材231は、内歯形成部材241の円筒内で、当該補強用外歯歯車部材231の中心が、第1外歯歯車部材212の中心及び第2外歯歯車部材222の中心を通る線上になるように、配置されている。
Here, the diameter of the reinforcing
上記の内歯形成部材241は、本実施形態では、円筒形状の鋼鉄製の部材であり、内周部に歯部(内歯歯車)が形成されている。そして、内歯歯車が形成された内歯形成部材241の円筒内には、第2外歯歯車部材222、第1外歯歯車部材212及び補強用外歯歯車部材231が、各歯車部材の中心を通る線がZ軸方向と略平行になるように配置され、当該内周部に形成された内歯歯車には、第2外歯歯車部材222の歯部及び補強用外歯歯車部材231の歯部が内接噛合している。このため、内歯形成部材241は、当該内歯形成部材241の円筒の中心が、第1外歯歯車部材212の中心に一致するようなっている。
In the present embodiment, the internal
また、内歯形成部材241の−X方向側(関節の伸展側:図1、図5参照)には、Y軸と平行な軸部材AXAが挿入される軸穴が成形加工されている。 A shaft hole into which the shaft member AXA parallel to the Y axis is inserted is molded on the −X direction side of the internal tooth forming member 241 (the joint extension side: see FIGS. 1 and 5).
上記の第3外歯歯車部材243は、円盤状の鋼鉄製に部材であり、円盤の中心が、第1外歯歯車部材212の中心と一致するように配置される。そして、第3外歯歯車部材243の円周部には、歯すじがY軸に平行な歯部が形成されている。また、第3外歯歯車部材243には、軸部材AX1,AX2及びAXBを挿入する3つの軸穴が、Y軸と平行に直線上に成形加工されている。
The third
なお、本実施形態では、第3外歯歯車部材243は、内歯形成部材241の−Y方向側に配置されている(図6(B)参照)。また、第3外歯歯車部材243の径は、内歯形成部材241の円筒の径より大きくなっている。
In the present embodiment, the third
上記の第1接続用部材251は、例えば、長形状の鋼鉄製の部材である。第1接続用部材251の端部は、内歯形成部材241に成形加工された軸部材AXAを挿入する軸穴に近接して、内歯形成部材241に固定されている。そして、第1接続用部材251には、ベローズ130の一方側端部が接続される(図1参照)。ここで、第1接続用部材251は、腰関節の伸展状態時において、当該第1接続用部材251の長さ方向が、腰外骨格部材221の長さ方向と略平行になるように、内歯形成部材241に固定されている(図5参照)。
The first connecting
上記の第2接続用部材252は、例えば、長形状の鋼鉄製の部材である。第2接続用部材252の端部は、第4外歯歯車部材254に固定されている。そして、第2接続用部材252には、ベローズ130の他方側端部が接続される(図1参照)。
The second connecting
上記の第4外歯歯車部材254は、軸部材AXAを中心軸とする円柱形状の鋼鉄製の部材である。第4外歯歯車部材254は、第2接続用部材252の端部に固定されている。そして、第4外歯歯車部材254の外周部には、歯すじが軸に平行な歯部が形成され、当該歯部は、第3外歯歯車部材243の歯部に噛合するようになっている。
The fourth
以上、個別腰部装着ユニット1201の構成について説明した。なお、本実施形態では、第1外歯歯車部材212、第2外歯歯車部材222、補強用外歯歯車部材231、第3外歯歯車部材243、第4外歯歯車部材254、及び内歯形成部材241の内歯歯車の噛み合い長さは、同一となっている。
It has been described the configuration of the individual
上記の個別腰部装着ユニット1202は、XZ面を対称面として、個別腰部装着ユニット1201に対して面対称となるように構成されている(図2〜図4参照)。
The individual
次いで、上記のベローズ130について説明する。ベローズ130は、図1に示されるように、等間隔の環状溝を有する膨縮自在な樹脂製の部材であり、腰関節の伸展側(−X方向側)に配置される。ベローズ130の一方側端部は、個別腰部装着ユニット1201及び個別腰部装着ユニット1202の第1接続用部材251に接続されるとともに、ベローズ130の他方側端部は、個別腰部装着ユニット1201及び個別腰部装着ユニット1202の第2接続用部材252に接続される。
Next, the
そして、ベローズ130と調整部180との間を連通している可撓性を有する樹脂製の配管190を通じて、ベローズ130内の空気圧が変化すると、ベローズ130が膨縮する。この結果、ベローズ130が腰関節の関節運動をアシストする力を発生させる。
When the air pressure in the
<調整部180の構成>
次いで、上記の調整部180の構成について説明する。調整部180は、配管190を介して腰部装着ユニット110のベローズ130と連通している。そして、調整部180は、配管190を介して、ベローズ130からの空気の強制的排出、及び、ベローズ130への空気の強制的供給を行い、ベローズ130内の空気圧を調整する。
<Configuration of
Next, the configuration of the
かかる機能を有する調整部180は、図7に示されるように、加圧ポンプ181と、減圧ポンプ182と、電気−空気圧制御弁183と、制御部184と、配管185,186とを備えている。
As shown in FIG. 7, the
上記の加圧ポンプ181は、配管185を介して、電気−空気圧制御弁183のポンプ側接続口の一方と接続されている。この加圧ポンプ181は、ベローズ130への空気の強制的供給を行う際に利用される。上記の減圧ポンプ182は、配管186を介して、電気−空気圧制御弁183のポンプ側接続口の他方と接続されている。この減圧ポンプ182は、ベローズ130からの空気の強制的排出を行う際に、利用される。
The pressurizing
上記の電気−空気圧制御弁183は、流路切換弁と、圧力制御弁(比例ソレノイドバルブ)とを備えて構成されている。この流路切換弁の入口側の一方が加圧ポンプ181に接続されているとともに、入口側の他方が減圧ポンプ182に接続されている。
The electro-
そして、流路切換弁は、制御部184による制御のもとで、ベローズ130への空気の強制的供給を行う際には、加圧ポンプ181に接続されている配管185とベローズ130と連通している配管190とを接続して流路を形成する。また、流路切換弁は、制御部184による制御のもとで、ベローズ130からの空気の強制的排出を行う際には、減圧ポンプ182に接続されている配管186とベローズ130と連通している配管190とを接続して流路を形成する。また、圧力制御弁は、制御部184による制御のもとで、空気圧力を制御して、ベローズ130内の空気圧を変化させる。
The flow path switching valve communicates with the
上記の制御部184は、ベローズ130からの空気の強制的排出、及び、ベローズ130への空気の強制的供給の切り換え、並びに、ベローズ130内の空気圧の制御を行う。かかる制御に際して、制御部184は、ベローズ130への空気の強制的供給を行う場合には、加圧ポンプ181とベローズ130とを接続する流路を形成するように、電気−空気圧制御弁183を制御する。また、制御部184は、ベローズ130からの空気の強制的排出を行う場合には、減圧ポンプ182とベローズ130とを接続する流路を形成するように、電気−空気圧制御弁183を制御する。
The
こうした制御は、実験、シミュレーション、経験等を加味した関節を駆動する筋力に関する生体情報に基づいて行われるようになっている。ここで、関節を駆動する筋力に関する生体情報は、不図示の検出部が、筋電図、筋肉の硬さ等を検出することで、取得するようにすることができる。 Such control is performed on the basis of biological information relating to muscle strength that drives a joint in consideration of experiments, simulations, experiences, and the like. Here, the biological information related to the muscle force for driving the joint can be obtained by a detection unit (not shown) detecting an electromyogram, muscle hardness, and the like.
以上、人体の左側の腰部及び左大腿部に装着される関節運動アシスト装置100について説明したが、当該人体の右側の腰部及び右大腿部に装着される関節運動アシスト装置についても、人体の左側に装着される関節運動アシスト装置と同様に構成されている。
As described above, the joint
[動作]
以上のようにして構成された関節運動アシスト装置100の動作、すなわち、腰関節の機構を利用する関節運動のアシスト動作を説明する。
[Operation]
The operation of the joint
なお、関節運動アシスト装置100では、当初においては、調整部180によるベローズ130内の空気圧調整は行われておらず、ベローズ130の内圧は大気圧になっているものとする。また、当初においては、図1及び図8(A)に示されるように、腰関節は、伸展状態にあるものとする。そして、第2外歯歯車部材222の中心、第1外歯歯車部材212の中心、及び、補強用外歯歯車部材231の中心を通る線方向は、Z軸方向とほぼ平行になっているものとする。ここで、図8(A),(B)に示される関節運動アシスト装置100では、調整部180及び配管190の図示を省略している。
In the joint
また、図9(A)には、図8(A)の関節運動アシスト装置100に対応する「腰関節が伸展状態のとき」の個別腰部装着ユニット1201が示されている。以下では、個別腰部装着ユニット1201を構成する要素の動きに主に着目して、腰関節のアシスト動作を説明する。
Further, in FIG. 9 (A), corresponds to the articulation assist
<腰関節の伸展状態から屈曲状態へのアシスト動作>
この関節運動のアシスト動作は、腰関節を伸展状態から屈曲状態にする際には、調整部180が、ベローズ130からの空気の強制的排出を行うための制御を行う。調整部180により、ベローズ130からの空気の強制的排出が行われると、ベローズ130内の空気圧が下降する。こうしてベローズ130内の空気圧が下降すると、ベローズ130が収縮する。
<Assist motion from the stretched state of the hip joint to the bent state>
The assisting operation of the joint movement performs control for forcibly discharging the air from the
ベローズ130が収縮する収縮行程において、ベローズ130が収縮したときの関節運動アシスト装置100の状態が図8(B)に示され、個別腰部装着ユニット1201の状態が図9(B)に示されている。図9(A)の状態から図9(B)の状態に遷移するベローズ130の収縮行程により、第4外歯歯車部材254を略中心(交点)にして、ベローズ130の他方側端部が接続されている第2接続用部材252と、当該ベローズ130の一方側端部が接続されている第1接続用部材251との交差する角度が狭くなる。そして、当該交差する角度が狭くなるのに伴い、第4外歯歯車部材254における第3外歯歯車部材243との噛み合わせ位置が変化し、第3外歯歯車部材243を相対静止させた系において、第4外歯歯車部材254が、−Y方向を視線方向としたXZ平面視で反時計回り(以下、単に「反時計回り」とも記す)に自転しつつ、第3外歯歯車部材243の中心軸(軸部材AX1)を中心にして当該第3外歯歯車部材243の周りを、反時計回りに公転する。
In contraction stroke the
こうして第4外歯歯車部材254が反時計回りに自公転すると、第4外歯歯車部材254の軸部材AXAが挿入された内歯形成部材241が、軸部材AX1を中心にして、反時計回りに回転する。このようにして内歯形成部材241が、反時計回りに回転すると、当該内歯形成部材241の内歯歯車に噛合している第2外歯歯車部材222が、内歯歯車の回転と同方向である反時計回りに回転し、第2外歯歯車部材222に噛合している第1外歯歯車部材212が内歯歯車の回転と逆方向である時計回りに回転する。
When the fourth
そして、第2外歯歯車部材222が反時計回りに回転すると、当該第2外歯歯車部材222に固定的に接続されている腰外骨格部材221が反時計回りに回転する。また、第1外歯歯車部材212が時計回りに回転すると、当該第1外歯歯車部材212に固定的に接続されている大腿外骨格部材211が時計回りに回転する。この結果、腰部左側に固定されている腰外骨格部材221と、左大腿部に固定されている大腿外骨格部材211とが交差する角度が狭まり、腰関節は伸展状態から屈曲状態になる(図8(B)参照)。
When the second
ここで、腰関節が伸展状態から屈曲状態になるときには、内歯形成部材241に接続されている第1接続用部材251、及び、第4外歯歯車部材254に接続されている第2接続用部材252が、ともに反時計回りに回転する(図9(A),(B)参照)。かかる接続用部材の回転に際して、第4外歯歯車部材254の直径が内歯形成部材の241の直径に比べて短いため、第2接続用部材252の移動量は、第1接続用部材251の移動量より大きくなっている。この結果、腰関節が伸展状態から屈曲状態になるときには、第1接続用部材251及び第2接続用部材252に挟み込まれたベローズ130も、屈曲する腰部に追従して、反時計回りに回転しながら収縮するようになっている(図8(A),(B)参照)。
Here, when the hip joint is changed from the extended state to the bent state, the first connecting
また、腰関節が屈曲した姿勢時においても、第2外歯歯車部材222の中心、第1外歯歯車部材212の中心、及び、補強用外歯歯車部材231の中心を通る線方向は、Z軸方向とほぼ平行になっている。そして、大腿外骨格部材211の長さ方向とX軸方向とのなす角の絶対値、及び、腰外骨格部材221の長さ方向とX軸方向とのなす角の絶対値は、ほぼ等しくなっている(図8(B)及び図9(B)参照)。
Even when the hip joint is bent, the line direction passing through the center of the second
<腰関節の屈曲状態から伸展状態へのアシスト動作>
腰関節が屈曲状態であるとき(図8(B)及び図9(B)参照)に、腰関節を屈曲状態から伸展状態にする際には、調整部180が、ベローズ130への空気の強制的供給を行うための制御を行う。調整部180により、ベローズ130への空気の強制的供給が行われると、ベローズ130内の空気圧が上昇する。こうしてベローズ130内の空気圧が上昇すると、ベローズ130が膨張する。
<Assist motion from the bent state of the hip joint to the extended state>
When the hip joint is in the bent state (see FIGS. 8B and 9B), the
ベローズ130が膨張する膨張行程において、ベローズ130が膨張したときの関節運動アシスト装置100の状態が図8(A)に示され、個別腰部装着ユニット1201の状態が図9(A)に示されている。図9(B)の状態から図9(A)の状態に遷移するベローズ130の膨張行程により、第4外歯歯車部材254を略中心(交点)にして、ベローズ130の他方側端部が接続されている第2接続用部材252と、当該ベローズ130の一方側端部が接続されている第1接続用部材251との交差する角度が広くなる。そして、当該交差する角度が広くなるのに伴い、第4外歯歯車部材254における第3外歯歯車部材243との噛み合わせ位置が変化し、第3外歯歯車部材243を相対静止させた系において、第4外歯歯車部材254が、−Y方向を視線方向としたXZ平面視で時計回り(以下、単に「時計回り」とも記す)に自転しつつ、第3外歯歯車部材243の中心軸(軸部材AX1)を中心にして当該第3外歯歯車部材243の周りを、時計回りに公転する。
In the expansion stroke in which bellows 130 is expanded, the state of the articulation assist
こうして第4外歯歯車部材254が時計回りに自公転すると、第4外歯歯車部材254の軸部材AXAが挿入された内歯形成部材241が、軸部材AX1を中心にして、時計回りに回転する。このようにして内歯形成部材241が、時計回りに回転すると、当該内歯形成部材241の内歯歯車に噛合している第2外歯歯車部材222が、内歯歯車の回転と同方向である時計回りに回転し、第2外歯歯車部材222に噛合している第1外歯歯車部材212が内歯歯車の回転と逆方向である反時計回りに回転する。
When the fourth
そして、第2外歯歯車部材222が時計回りに回転すると、当該第2外歯歯車部材222に固定的に接続されている腰外骨格部材221が時計回りに回転する。また、第1外歯歯車部材212が反時計回りに回転すると、当該第1外歯歯車部材212に固定的に接続されている大腿外骨格部材211が反時計回りに回転する。この結果、腰部左側に固定されている腰外骨格部材221と、左大腿部に固定されている大腿外骨格部材211とが交差する角度が広がり、腰関節は屈曲状態から伸展状態になる(図8(A)参照)。
When the second
以上説明したように、本実施形態では、調整部180により、ベローズ130からの空気の強制的排出が行われるとベローズ130が収縮する。当該ベローズ130の収縮により、第4外歯歯車部材254の位置を略交点にして、第2接続用部材252と第1接続用部材251との交差する角度が狭まると、第3外歯歯車部材243を相対静止させた系において、第4外歯歯車部材254が、反時計回りに自転しつつ、第3外歯歯車部材243の中心軸を中心にして当該第3外歯歯車部材243の周りを、反時計回りに公転する。
As described above, in the present embodiment, the
こうして第4外歯歯車部材254が反時計回りに自公転すると、第4外歯歯車部材254の軸部材AXAが挿入された内歯形成部材241も、反時計回りに回転する。そして、内歯形成部材241が反時計回りに回転すると、当該内歯形成部材241の内歯歯車に噛合している第2外歯歯車部材222が反時計回りに回転し、第2外歯歯車部材222に噛合している第1外歯歯車部材212が時計回りに回転する。
Thus, when the fourth
そして、第2外歯歯車部材222が反時計回りに回転すると、当該第2外歯歯車部材222に固定的に接続されている腰外骨格部材221が反時計回りに回転する。また、第1外歯歯車部材212が時計回りに回転すると、当該第1外歯歯車部材212に固定的に接続されている大腿外骨格部材211が時計回りに回転する。この結果、腰部左側に固定されている腰外骨格部材221と、左大腿部に固定されている大腿外骨格部材211とが交差する角度が狭まり、腰関節は伸展状態から屈曲状態になる。
When the second
このため、膨縮部材であるベローズ130を収縮させる収縮行程を制御して、腰関節を伸展状態から屈曲状態に移行する運動をアシストすることができる。
For this reason, the exercise | movement which transfers the waist joint from the extension state to a bending state can be assisted by controlling the contraction process which contracts the
ここで、腰関節が伸展状態から屈曲状態になるときには、内歯形成部材241に接続されている第1接続用部材251、及び、第4外歯歯車部材254に接続されている第2接続用部材252が、ともに反時計回りに回転する。この結果、腰関節が伸展状態から屈曲状態になるときには、第1接続用部材251及び第2接続用部材252に挟み込まれたベローズ130も、屈曲する腰部に追従して、反時計回りに回転しながら収縮する。
Here, when the hip joint is changed from the extended state to the bent state, the first connecting
このため、腰関節の屈曲姿勢時において、腰部装着ユニットが臀部から大きく突出することを防止することができる。 For this reason, at the time of the bending posture of the hip joint, the waist mounting unit can be prevented from protruding greatly from the buttocks.
また、調整部180により、ベローズ130への空気の強制的供給が行われるとベローズ130が膨張する。当該ベローズ130の膨張により、第4外歯歯車部材254の位置を略交点にして、第2接続用部材252と第1接続用部材251との交差する角度が広がると、第3外歯歯車部材243を相対静止させた系において、第4外歯歯車部材254が、時計回りに自転しつつ、第3外歯歯車部材243の中心軸を中心にして当該第3外歯歯車部材243の周りを、時計回りに公転する。
Further, when the
こうして第4外歯歯車部材254が時計回りに自公転すると、第4外歯歯車部材254の軸部材AXAが挿入された内歯形成部材241も、時計回りに回転する。そして、内歯形成部材241が時計回りに回転すると、当該内歯形成部材241の内歯歯車に噛合している第2外歯歯車部材222が時計回りに回転し、第2外歯歯車部材222に噛合している第1外歯歯車部材212が反時計回りに回転する。
When the fourth
そして、第2外歯歯車部材222が時計回りに回転すると、当該第2外歯歯車部材222に固定的に接続されている腰外骨格部材221が時計回りに回転する。また、第1外歯歯車部材212が反時計回りに回転すると、当該第1外歯歯車部材212に固定的に接続されている大腿外骨格部材211が反時計回りに回転する。この結果、腰部左側に固定されている腰外骨格部材221と、左大腿部に固定されている大腿外骨格部材211とが交差する角度が広がり、腰関節は屈曲状態から伸展状態になる。
When the second
このため、膨縮部材であるベローズ130を収縮させる収縮行程を制御して、腰関節を伸展状態から屈曲状態に移行する運動をアシストすることができる。
For this reason, the exercise | movement which transfers the waist joint from the extension state to a bending state can be assisted by controlling the contraction process which contracts the
また、本実施形態では、第2外歯歯車部材222の径は、第1外歯歯車部材212の径と同一となっている。この結果、腰関節及び膝関節が屈曲した姿勢時において、大腿外骨格部材211の長さ方向とX軸方向とのなす角の絶対値、及び、腰外骨格部材221の長さ方向とX軸方向とのなす角の絶対値は、ほぼ等しくなる。このため、人体の腰関節及び膝関節が連動した当該2つの関節の屈伸運動の動きに適したスムーズな腰関節及び膝関節の動きを実現することができる。
In the present embodiment, the diameter of the second
したがって、本実施形態によれば、腰関節の屈曲姿勢時において構造をコンパクトにするとともに、人体の腰関節の関節運動を適切にアシストすることができる。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to make the structure compact during the hip joint bending posture and to appropriately assist the joint motion of the human hip joint.
[実施形態の変形]
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
[Modification of Embodiment]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible.
例えば、上記の実施形態では、腰部装着ユニットは、面対称となるように構成された個別腰部装着ユニット1201及び個別腰部装着ユニット1202を備えるようにしたが、腰部装着ユニットの要素は、個別腰部装着ユニット1201又は個別腰部装着ユニット1202のみであってもよい。
For example, in the above embodiment, the waist mounting unit includes the individual
また、上記の実施形態では、個別腰部装着ユニットは、補強用の外歯歯車部材として1個の補強用外歯歯車部材231を備えるようにした。これに対して、個別腰部装着ユニットは、図10に示されるように、第6外歯歯車部材としての補強用外歯歯車部材232と、第7外歯歯車部材としての補強用外歯歯車部材233とを更に備える構成としてもよい。こうした構成を採用した場合には、第1外歯歯車部材、第2外歯歯車部材及び内歯形成部材の歯部にかかる力をさらに分散させて、関節運動アシスト装置の耐久性をより高めることができる。
Moreover, in said embodiment, the separate waist | hip | lumbar part mounting | wearing unit was equipped with the one
また、上記の実施形態では、第2外歯歯車部材の径を、第1外歯歯車部材の径と同一にしたが、第1外歯歯車部材の径と異なるようにしてもよい。なお、こうした構成を採用し、かつ、第6外歯歯車部材及び第7外歯歯車部材として機能する歯車部材を更に備える構成とする場合に、当該第6外歯歯車部材及び第7外歯歯車部材として機能する歯車部材の径は、第2外歯歯車部材の径と同一にすることとなる。 Moreover, in said embodiment, although the diameter of the 2nd external gear member was made the same as the diameter of the 1st external gear member, you may make it differ from the diameter of a 1st external gear member. In addition, when it is set as the structure further equipped with the gear member which employ | adopts such a structure and functions as a 6th external gear member and a 7th external gear member, the said 6th external gear member and a 7th external gear The diameter of the gear member that functions as a member is the same as the diameter of the second external gear member.
また、上記の実施形態では、第1外歯歯車部材は、大腿外骨格部材の股関節側端部に接続され、第2外歯歯車部材は、腰外骨格部材の腰関節側端部に接続されるようにした。これに対して、第1外歯歯車部材が、腰外骨格部材の腰関節側端部に接続され、第2外歯歯車部材が、大腿外骨格部材の股関節側端部に接続されるようにしてもよい。 In the above embodiment, the first external gear member is connected to the hip joint side end of the femoral exoskeleton member, and the second external gear member is connected to the lumbar joint side end of the waist exoskeleton member. It was to so. On the other hand, the first external gear member is connected to the hip joint side end portion of the hip exoskeleton member, and the second external gear member is connected to the hip joint side end portion of the femoral exoskeleton member. May be.
また、上記の実施形態では、大腿外骨格部材は第1外歯歯車部材の歯すじに固定的に接続されるとともに、腰外骨格部材は第2外歯歯車部材の歯すじに固定的に接続されるようにした。これに対して、大腿外骨格部材を、第1外歯歯車部材の円柱底面や、第1外歯歯車部材の中心に軸部が形成された場合には当該軸部に固定するようにしてもよい。また、腰外骨格部材を、第2外歯歯車部材の円柱底面や、第2外歯歯車部材の中心に軸部が形成された場合には当該軸部に固定するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the thigh exoskeleton member is fixedly connected to the teeth of the first external gear member, and the waist exoskeleton member is fixedly connected to the teeth of the second external gear member. It was made to be. On the other hand, the thigh exoskeleton member may be fixed to the shaft portion when the shaft portion is formed at the cylindrical bottom surface of the first external gear member or the center of the first external gear member. Good. In addition, the waist exoskeleton member may be fixed to the shaft portion when the shaft portion is formed at the cylindrical bottom surface of the second external gear member or the center of the second external gear member.
また、上記の実施形態では、内歯形成部材の形状を円筒形状としたが、内周部に歯部が形成されているならば、内周部の形状は他の形状であってもよいし、また、内歯形成部材自体の形状も円筒形状以外の形状であってもよい。 In the above embodiment, the shape of the inner tooth forming member is a cylindrical shape. However, if the tooth portion is formed on the inner peripheral portion, the shape of the inner peripheral portion may be another shape. Further, the shape of the internal tooth forming member itself may be a shape other than the cylindrical shape.
また、内歯形成部材の形状を、軸部材が中心に固定された有底円筒形状にするようにしてもよい。この場合には、当該軸部材の軸方向と軸部材AX1の軸方向とを一致させるようにすればよい。かかる構造を採用することにより、内歯形成部材の円筒中心を第1外歯歯車部材の中心に一致させるための補強用外歯歯車部材を省略することができる。 In addition, the shape of the internal tooth forming member may be a bottomed cylindrical shape in which the shaft member is fixed at the center. In this case, the axial direction of the shaft member may coincide with the axial direction of the shaft member AX1. By adopting such a structure, the reinforcing external gear member for making the cylindrical center of the internal gear forming member coincide with the center of the first external gear member can be omitted.
また、上記の実施形態では、膨縮部材としてベローズを採用したが、膨縮部材として空気の強制的供給により膨張するエアバック等を採用するようにしてもよい。なお、この場合には、エアバックの膨張行程のときに、関節運動のアシストを行うことになる。 In the above embodiment, the bellows is employed as the expansion / contraction member. However, an airbag or the like that is inflated by forced air supply may be employed as the expansion / contraction member. In this case, the joint motion is assisted during the airbag expansion stroke.
また、上記の実施形態では、外骨格部材に接続される第2外歯歯車部材を、第1接続用部材と第2接続用部材との交差する角度が狭くなるときに、腰関節の屈曲側からみて、第1外歯歯車部材の歯部が移動していく方向側に配置するようにした(図5等参照)。これに対して、第2外歯歯車部材に接続される外骨格部材を、実施形態における補強用外歯歯車部材231に接続するようにしてもよい。
In the above embodiment, when the angle at which the first connecting member and the second connecting member intersect with each other is reduced, the second external gear member connected to the exoskeleton member is bent on the hip joint. From the viewpoint, the teeth of the first external gear member are arranged on the moving direction side (see FIG. 5 and the like). On the other hand, you may make it connect the exoskeleton member connected to a 2nd external gear member to the
また、上記の実施形態では、関節を駆動する筋肉に関する生体情報を、筋電図、筋肉の硬さ等の生体信号としたが、利用者の脳波を当該生体情報として採用するようにしてもよい。 In the above embodiment, the biological information related to the muscle that drives the joint is a biological signal such as an electromyogram or muscle hardness. However, the user's brain wave may be used as the biological information. .
また、実施形態においては、樹脂製のベローズを採用したが、伸縮自在であり、人体に装着される装置の重さ等の負担をかけることがない素材であれば、他の素材であってもよい。 Further, in the embodiment, the resin bellows is adopted, but other materials can be used as long as they are stretchable and do not place a burden such as the weight of a device attached to a human body. Good.
また、本発明の関節運動アシスト装置は、作動流体を空気としたが、水や油等の液体であってもよい。 In the joint motion assist device of the present invention, the working fluid is air, but it may be liquid such as water or oil.
また、上記の実施形態では、関節運動アシスト装置を人体に装着するベルト部材の素材を金属製としてが、ベルト部材の素材としては布製等の他の素材であってもよい。 In the above embodiment, the material of the belt member for mounting the joint motion assisting device on the human body is made of metal, but the material of the belt member may be other material such as cloth.
本発明の関節運動アシスト装置は、介護や福祉の分野で利用する場合には、介護者がパワーアシスト用の装置として装着するだけでなく、力が弱っている被介護者がパワーアシスト用又はリハビリテーション用の装置としても利用することができる。また、本発明の関節運動アシスト装置は、介護や福祉の分野以外で重量物を持ち上げる等の場合のパワーアシスト装置としても利用することができる。 When used in the field of care and welfare, the joint motion assist device of the present invention is not only worn by a caregiver as a power assist device, but is also used by a care recipient who is weak in power assist or rehabilitation. It can also be used as a device for use. Further, the joint motion assist device of the present invention can also be used as a power assist device for lifting heavy objects outside the fields of care and welfare.
また、上記の実施形態においては、人体の関節運動をアシストする関節運動アシスト装置に本発明を適用したが、関節機構を有する人体以外の外骨格形の哺乳類、外骨格形のロボット等の所定対象物の関節運動アシスト装置にも本発明を適用することができる。 In the above-described embodiment, the present invention is applied to the joint motion assist device that assists the joint motion of the human body. However, a predetermined target such as an exoskeleton mammal other than the human body having a joint mechanism, an exoskeleton robot, or the like. The present invention can also be applied to an article joint motion assist device.
以上説明したように、本発明の関節運動アシスト装置は、所定対象物の関節運動をアシストする関節運動アシスト装置に適用することができる。 As described above, the joint motion assist device of the present invention can be applied to a joint motion assist device that assists the joint motion of a predetermined object.
100…関節運動アシスト装置、110…腰部装着ユニット、1201,1202…個別腰部装着ユニット、130…ベローズ、180…調整部、181…加圧ポンプ、182…減圧ポンプ、183…電気−空気圧制御弁、184…制御部、185,186…配管、190…配管、211…大腿外骨格部材(第1外骨格部材)、212…第1外歯歯車部材、221…腰外骨格部材(第2外骨格部材)、222…第2外歯歯車部材、231…補強用外歯歯車部材(第5外歯歯車部材)、232…補強用外歯歯車部材(第6外歯歯車部材)、233…補強用外歯歯車部材(第7外歯歯車部材)、241…内歯形成部材、243…第3外歯歯車部材、251…第1接続用部材、252…第2接続用部材、254…第4外歯歯車部材、軸部材…AX1,AX2,AXA,AXB、ベルト部材…511,512 100 ... articulation assist device, 110 ... lumbar mounting unit, 120 1, 120 2 ... individual waist attachment unit, 130 ... bellows 180 ... adjustment section, 181 ... pressure pump, 182 ... decompression pump, 183 ... electric - pneumatic control Valve, 184 ... Control unit, 185, 186 ... Piping, 190 ... Piping, 211 ... Femoral exoskeleton member (first exoskeleton member), 212 ... First external gear member, 221 ... Lumbar exoskeleton member (second outer) Skeleton member), 222 ... second external gear member, 231 ... external gear member for reinforcement (fifth external gear member), 232 ... external gear member for reinforcement (sixth external gear member), 233 ... reinforcement External gear member (seventh external gear member), 241 ... internal tooth forming member, 243 ... third external gear member, 251 ... first connecting member, 252 ... second connecting member, 254 ... fourth External gear member, shaft member ... AX1 AX2, AXA, AXB, belt member ... 511, 512
Claims (10)
前記一方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記一方側部位に装着される第1外骨格部材と;
前記他方側部位が前記関節から延びる方向に沿って、前記他方側部位に装着される第2外骨格部材と;
前記第1外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第1外骨格部材が前記一方側部位に装着されている時において、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部に歯部が形成された第1外歯歯車部材と;
前記第2外骨格部材における前記関節側の端部に固定的に接続され、前記第2外骨格部材が前記他方側部位に装着されている時において、前記第1外歯歯車部材と噛合する歯部が、前記関節の回動運動方向に沿って、外周部に形成された第2外歯歯車部材と;
前記第2外歯歯車部材が内接噛合し、前記第1外歯歯車部材の中心軸を中心とする内周部に内歯歯車が形成されている内歯形成部材と;
前記第1外歯歯車部材の軸位置を中心とする第3外歯歯車部材と;
前記第1外歯歯車部材の軸と平行な軸を軸方向として前記内歯形成部材に成形された軸穴に中心軸が挿入され、前記第3外歯歯車部材と噛合する第4外歯歯車部材と;
前記関節運動をアシストする力を発生させる膨縮部材と;
前記内歯形成部材に成形された前記軸穴に近接して前記内歯形成部材に固定され、前記膨縮部材の一方側端部と接続される長形状の第1接続用部材と;
前記第4外歯歯車部材に固定され、前記膨縮部材の他方側端部と接続される長形状の第2接続用部材と;を備え、
前記第4外歯歯車部材、前記第1接続用部材及び前記第2接続用部材は、前記関節の伸展側に配置され、
前記膨縮部材の膨張行程又は収縮行程により、前記第1接続用部材と前記第2接続用部材との交差する角度が変化し、
前記第3外歯歯車部材を相対静止させた系において、前記第4外歯歯車部材が、前記第3外歯歯車部材の中心軸を中心にして前記第3外歯歯車部材の周りを公転することにより、前記内歯歯車が回動し、前記第1外歯歯車部材に固定的に接続されている第1外骨格部材と、前記第2外歯歯車部材に固定的に接続されている第2外骨格部材とが交差する角度が変化し、前記関節の運動をアシストする、
ことを特徴とする関節運動アシスト装置。 An exoskeleton-type joint motion assist device that assists joint motion using a joint mechanism that is attached to a predetermined object having a skeletal structure and connects one side portion and the other side portion of the predetermined object. And
A first exoskeleton member attached to the one side portion along a direction in which the one side portion extends from the joint;
A second exoskeleton member attached to the other side portion along a direction in which the other side portion extends from the joint;
When the first exoskeleton member is fixedly connected to the joint-side end of the first exoskeleton member and the first exoskeleton member is attached to the one side portion, along the rotational movement direction of the joint, A first external gear member having teeth on the outer periphery;
Teeth that are fixedly connected to the joint side end of the second exoskeleton member and mesh with the first external gear member when the second exoskeleton member is attached to the other side portion. A second external gear member formed on the outer peripheral portion along the rotational movement direction of the joint;
An internal gear forming member in which the second external gear member meshes internally and an internal gear is formed on an inner peripheral portion around the central axis of the first external gear member;
A third external gear member centered on the axial position of the first external gear member;
A fourth external gear having a central axis inserted into a shaft hole formed in the internal gear forming member with an axis parallel to the axis of the first external gear member as an axial direction and meshing with the third external gear member With members;
An expansion / contraction member for generating a force for assisting the joint movement;
A long first connecting member fixed to the inner tooth forming member in the vicinity of the shaft hole formed in the inner tooth forming member and connected to one end of the expansion / contraction member;
A long second connection member fixed to the fourth external gear member and connected to the other end of the expansion / contraction member;
The fourth external gear member, the first connection member, and the second connection member are disposed on the extension side of the joint,
By the expansion stroke or the contraction stroke of the expansion / contraction member, the angle at which the first connection member and the second connection member intersect with each other changes,
In the system in which the third external gear member is relatively stationary, the fourth external gear member revolves around the third external gear member around the central axis of the third external gear member. Thus, the internal gear rotates, and the first exoskeleton member fixedly connected to the first external gear member and the second external gear member fixedly connected to the second external gear member. 2 The angle at which the exoskeleton member intersects changes, assisting the movement of the joint,
An articulation assist device characterized by the above.
前記第3外歯歯車部材を相対静止させた系において、前記第4外歯歯車部材が、前記第3外歯歯車部材の中心軸を中心にして前記第3外歯歯車部材の周りを、前記第2接続用部材が前記第1接続用部材から遠ざかる方向に公転することにより、前記内歯歯車が前記遠ざかる方向に回転し、
前記内歯歯車の前記遠ざかる方向の回転により、前記内歯歯車に噛合している前記第2外歯歯車部材が前記内歯歯車の回転と同方向に回転し、前記第2外歯歯車部材に噛合している前記第1外歯歯車部材が前記内歯歯車の回転と逆方向に回転することで、
前記第1外骨格部材と前記第2外骨格部材とが交差する角度が広がり、前記関節を屈曲状態から伸展状態にする、
ことを特徴とする請求項2に記載の関節運動アシスト装置。 Due to the expansion stroke of the expansion / contraction member, the angle at which the first connection member and the second connection member intersect with each other, with the fourth external gear member approximately as the center,
In the system in which the third external gear member is relatively stationary, the fourth external gear member is arranged around the third external gear member around the central axis of the third external gear member. When the second connecting member revolves in a direction away from the first connecting member, the internal gear rotates in the away direction,
Due to the rotation of the internal gear in the direction away from the second gear, the second external gear member engaged with the internal gear rotates in the same direction as the rotation of the internal gear, and the second external gear member When the meshing first external gear member rotates in a direction opposite to the rotation of the internal gear,
The angle at which the first exoskeleton member and the second exoskeleton member intersect is widened, and the joint is changed from a bent state to an extended state.
The joint motion assisting device according to claim 2.
前記第3外歯歯車部材を相対静止させた系において、前記第4外歯歯車部材が、前記第3外歯歯車部材の中心軸を中心にして前記第3歯車部材の周りを、前記第2接続用部材が前記第1接続用部材に近づく方向に公転することにより、前記内歯歯車が前記近づく方向に回転し、
前記内歯歯車の前記近づく方向の回転により、前記内歯歯車に噛合している前記第2外歯歯車部材が前記内歯歯車の回転と同方向に回転し、前記第2外歯歯車部材に噛合している前記第1外歯歯車部材が前記内歯歯車の回転と逆方向に回転することで、
前記第1外骨格部材と前記第2外骨格部材とが交差する角度が狭まり、前記関節を伸展状態から屈曲状態にする、
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の関節運動アシスト装置。 Due to the contraction stroke of the expansion / contraction member, the angle at which the first connection member and the second connection member intersect with each other with the fourth external gear member approximately as a center is narrowed,
In the system in which the third external gear member is relatively stationary, the fourth external gear member is arranged around the third gear member about the central axis of the third external gear member. When the connecting member revolves in the direction approaching the first connecting member, the internal gear rotates in the approaching direction,
Due to the rotation of the internal gear in the approaching direction, the second external gear member meshed with the internal gear rotates in the same direction as the rotation of the internal gear, and the second external gear member When the meshing first external gear member rotates in a direction opposite to the rotation of the internal gear,
The angle at which the first exoskeleton member and the second exoskeleton member intersect is narrowed, and the joint is changed from an extended state to a bent state.
The joint motion assisting device according to claim 2 or 3,
前記第1外骨格部材は大腿部に装着され、前記第2外骨格部材は腰部に装着される、
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の関節運動アシスト装置。 The joint of the predetermined object is a hip joint of a human body,
The first exoskeleton member is attached to the thigh, and the second exoskeleton member is attached to the waist.
The joint motion assist device according to any one of claims 1 to 9, wherein
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