JP6169837B2 - Lower limb movement support device - Google Patents
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Description
本発明は、アクチュエータユニットを用いて、人体の下肢の動作を支援する下肢動作支援装置に関する。 The present invention relates to a lower limb movement support device that supports movement of a lower limb of a human body using an actuator unit.
従来、利用者に対して歩行動作などの脚部の運動を支援するために動作の推進力を外的に付与する動作支援装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。動作支援装置は、脚の筋力が落ちた人、脚に障害を持つ人など、自力歩行が困難な人の歩行を助けるためのほか、自らの筋力の許容を超える力がかかった場合など、自己の能力以上の脚力を与えることができるため、例えば、工事現場などにおいての利用が期待されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an operation support apparatus that externally applies a driving force for an operation in order to assist a user with a leg motion such as a walking operation (for example, see Patent Document 1). In addition to helping people who have difficulty walking on their own, such as people with weak leg muscles or people with leg disabilities, the motion support device can be used for self For example, it is expected to be used at a construction site.
また、動作補助装着具により装着者の動作を補助或いは代行する装着式動作補助装置であって、装着者の動作に応じた物理量と装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する検出手段とを備え、検出手段により検出された関節角度を基準パラメータの関節角度と比較することにより、装着者の動作のパターンを判定するとともに、検出されたデータに応じた動力を駆動源に発生させるための指令信号を生成する装置が知られている(例えば、特許文献2参照。)。上記装置では、筋電位の信号と関節の角度との情報から一連の行動を特定して、特定された動作に応じて各関節を作動させている。 Also, a wearable movement assist device that assists or substitutes for the movement of the wearer with a movement assisting wearing device, and a detection unit that detects a physical quantity corresponding to the wearer's movement and a biological signal associated with the wearer's muscle activity. A command for determining the pattern of the wearer's movement by comparing the joint angle detected by the detection means with the joint angle of the reference parameter, and for generating power corresponding to the detected data in the drive source An apparatus for generating a signal is known (for example, see Patent Document 2). In the above-described apparatus, a series of actions are specified from information on myoelectric potential signals and joint angles, and each joint is operated according to the specified motion.
しかしながら、特許文献2に記載の装置では、利用者の動作を筋電位により測定することから、正確な動作予測ができないという問題があった。すなわち、筋電位は、利用者が筋肉に力を加えることにより発生する信号であるが、必ずしも利用者の四肢の動作と連動していない場合がある。例えば、手足を動かさずに筋肉に力を込めることで、筋電位信号は発生するが、実際には筋電位が検出された筋肉によって手足は動くことはない。
However, the apparatus described in
このように、筋電位による利用者の動作の検出は、必ずしも利用者の動作と対応するものではない。このため、上記装置では、利用者の動作の物理量を検出したり、特許文献3に示すように関節の角度を検出したりすることで利用者の動作の予測の精度を高めることができる。 As described above, the detection of the user's action based on the myoelectric potential does not necessarily correspond to the user's action. For this reason, in the said apparatus, the precision of a user's operation | movement prediction can be improved by detecting the physical quantity of a user's operation | movement, or detecting the angle of a joint as shown in patent document 3. FIG.
しかし、上記の装置では、筋電位に加え各関節の角度や利用者の動作に応じた物理量を測定するために必要なセンサが多いため、利用者への装着に時間がかかり、また、各種制御が煩雑になるという問題がある。 However, in the above devices, since there are many sensors necessary for measuring the physical quantity according to the angle of each joint and the movement of the user in addition to the myoelectric potential, it takes time to wear on the user, and various controls are performed. There is a problem that becomes complicated.
また、上記各装置では、装置の脚部が利用者の脚の大腿及び下腿に固定され、装置の重さが利用者自身の脚にかかるため、利用者が自由に動くことができない。さらに、利用者が屈伸を行った場合に、装置自体の重さが利用者自身に負荷となるため、深い屈伸が必要な作業を行うことができなかった。また、特に、前傾姿勢での屈伸を行うと、座面が垂直となり、腰の保持部で利用者の体幹を安定して支えられないという問題があった。 Further, in each of the above devices, since the leg portion of the device is fixed to the thigh and the lower leg of the user's leg and the weight of the device is applied to the user's own leg, the user cannot move freely. In addition, when the user bends and stretches, the weight of the device itself becomes a load on the user himself, so that work that requires deep bending and stretching cannot be performed. In particular, when bending and stretching in a forward leaning posture, there is a problem that the seating surface becomes vertical, and the trunk of the user cannot be stably supported by the waist holding portion.
本発明は、これらの課題に鑑みてなされたもので、利用者への装着を簡易にすると共に、利用者の自由度を向上させると共に、前傾姿勢での屈伸作業においても安定して利用者を支えられる下肢動作支援装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of these problems. The present invention makes it easy to attach to a user, improves the degree of freedom of the user, and stabilizes the user even in a bending and stretching operation in a forward leaning posture. Provided is a lower limb motion support device that can support a child.
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の下肢動作支援装置を提供する。 In order to solve the above technical problem, the present invention provides a lower limb motion support device having the following configuration.
第1の発明は、利用者の体幹に固定して装着される体装着部と、前記利用者の大腿及び下腿に沿って設けられ、前記利用者の大腿及び下腿について非拘束状態となるように前記体装着部に連結され、前記利用者の膝関節による屈伸に対応して屈伸可能に構成された膝関節部を有する脚リンク部と、前記脚リンク部と連結する足首関節部を有して、前記利用者の足を載置固定する足載置部と、前記膝関節部に回転トルクを付与する膝関節駆動用アクチュエータユニットと、前記足首関節部に回転トルクを付与する足首関節駆動用アクチュエータユニットとを備え、前記体装着部は、前記利用者の膝関節による屈伸の前後にわたって前記利用者の体幹を固定して支持することを要旨とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a body mounting portion that is fixedly mounted on a user's trunk and is provided along the user's thigh and lower leg, and the user's thigh and lower leg are in an unrestrained state. A leg link portion having a knee joint portion coupled to the body mounting portion and configured to bend and stretch in response to bending and stretching by the user's knee joint, and an ankle joint portion coupled to the leg link portion. A foot placement portion for placing and fixing the user's foot; a knee joint drive actuator unit for applying rotational torque to the knee joint portion; and an ankle joint drive for applying rotational torque to the ankle joint portion. An actuator unit, wherein the body mounting portion fixes and supports the trunk of the user before and after bending and stretching by the knee joint of the user.
第2の発明は、上記第1の発明において、前記体装着部は、前記利用者の体幹背後に沿って配置される背当板と、前記背当板の上部に突設され前記利用者の肩上に位置する懸架部と、前記背当板を利用者に固定する固定ベルトと、を有することを要旨とする。 According to a second invention, in the first invention, the body mounting portion is provided with a back plate arranged along the back of the trunk of the user, and a user protruding from an upper part of the back plate. The gist of the present invention is to have a suspension portion located on the shoulder of the garment and a fixing belt for fixing the back plate to the user.
第3の発明は、上記第1の発明または上記第2の発明において、前記足載置部は、前記利用者の足の動作の方向及び力量を含む動作信号を出力する力センサを有し、前記力センサから出力された動作信号に基づいて前記利用者の動作を予測する動作予測部と、前記動作予測部の判断結果に基づいて、前記利用者が行なう動作に沿った形状に前記脚リンク部を駆動させるように前記膝関節駆動用アクチュエータユニット及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットをそれぞれ動作させるアクチュエータ作動部と、をさらに備えることを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect or the second aspect, the footrest has a force sensor that outputs an operation signal including a direction and an amount of force of the user's foot. A motion prediction unit that predicts the user's motion based on the motion signal output from the force sensor, and the leg link in a shape according to the motion performed by the user based on a determination result of the motion prediction unit The actuator further includes an actuator operating unit that operates the knee joint driving actuator unit and the ankle joint driving actuator unit to drive the unit.
第4の発明は、上記第3の発明において、さらに、前記脚リンク部及び前記足載置部の相対位置を検出して位置信号を出力する位置検出部を備え、前記動作予測部は、前記位置検出部から出力された前記位置信号に基づいて、前記利用者の動作を予測することを要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention based on the third aspect of the present invention, the apparatus further includes a position detection unit that detects a relative position between the leg link unit and the foot placement unit and outputs a position signal. The gist is to predict the user's action based on the position signal output from the position detector.
第5の発明は、上記第3の発明または上記第4の発明において、前記力センサは、直交する3軸方向の力の大きさを示す第1信号及び当該3軸を中心とする回転トルクの大きさを示す第2信号を出力することを要旨とする。 In a fifth aspect based on the third aspect or the fourth aspect, the force sensor includes a first signal indicating the magnitude of forces in the three orthogonal directions and a rotational torque centered on the three axes. The gist is to output the second signal indicating the magnitude.
第6の発明は、上記第5の発明において、前記動作予測部は、前記第2信号及び前記位置信号に基づいて前記利用者の動作を予測するとともに、この予測に基づいて駆動させる膝関節部と足飛関節部とを特定し、前記アクチュエータ作動部は、特定された前記膝関節部と前記足首関節部について、前記第1信号が示す方向へ前記足載置部を移動させるように前記膝関節駆動用アクチュエータユニット及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを動作させることを要旨とする。 In a sixth aspect based on the fifth aspect, the motion prediction unit predicts the user's motion based on the second signal and the position signal, and drives the knee joint based on the prediction. And the footrest joint portion, and the actuator actuating portion moves the footrest portion so as to move the footrest portion in the direction indicated by the first signal with respect to the identified knee joint portion and the ankle joint portion. The gist is to operate the joint driving actuator unit and the ankle joint driving actuator unit.
第7の発明は、上記第1の発明または上記第2の発明において、前記脚リンク部は、前記利用者の股関節の回転に対応して回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する股関節部と、前記股関節部に回転トルクを付与する股関節駆動用アクチュエータユニットと、を含むことを要旨とする。 In a seventh aspect based on the first aspect or the second aspect, the leg link portion includes the body mounting portion and the leg link portion that are rotatable in response to rotation of the hip joint of the user. The gist includes a hip joint portion to be connected and a hip joint drive actuator unit that applies rotational torque to the hip joint portion.
第8の発明は、上記第7の発明において、前記股関節部は、前記利用者の股関節の前後方向周りに回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する第1股関節部と、前記利用者の股関節の左右方向周りに回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する第2股関節部と、を含み、前記股関節駆動用アクチュエータユニットは、前記第1股関節部に回転トルクを付与する第1股関節駆動用アクチュエータユニットと、前記第2股関節部に回転トルクを付与する第2股関節駆動用アクチュエータユニットと、を含むことを要旨とする。 In an eighth aspect based on the seventh aspect, the hip joint portion connects the body mounting portion and the leg link portion so as to be rotatable around the user's hip joint in the front-rear direction. A second hip joint portion that connects the body mounting portion and the leg link portion so as to be rotatable around the user's hip joint in a left-right direction, and the hip joint drive actuator unit rotates to the first hip joint portion. The gist includes an actuator unit for driving the first hip joint that applies torque and an actuator unit for driving the second hip joint that applies rotational torque to the second hip joint.
第9の発明は、上記第8の発明において、前記足載置部に載置され、前記利用者の足の動作の方向及び力量を含む動作信号を出力する力センサと、前記股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを少なくとも前記動作信号に基づき制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記利用者の支持脚に対応する前記脚リンク部と、前記利用者の遊脚に対応する前記脚リンク部とを、前記動作信号に基づいてそれぞれ制御することを要旨とする。 According to a ninth invention, in the eighth invention, a force sensor placed on the foot placement portion and outputting an operation signal including a direction and an amount of action of the user's foot, and the hip joint driving actuator A control unit that controls the actuator unit for driving the knee joint and the actuator unit for driving the ankle joint based on at least the operation signal, and the control unit corresponds to the support leg of the user. The gist is to control the link unit and the leg link unit corresponding to the free leg of the user based on the operation signal.
第10の発明は、上記第9の発明において、前記制御部は、前記力センサの下方向に所定値以上の力が加えられる、又は当該力センサの左右方向周りに所定値以上のトルクが加えられたことを前記動作信号に基づいて認識したとき、当該動作信号を出力した前記力センサに対応する前記脚リンク部を、前記利用者の支持脚に対応する支持脚リンク部として特定し、前記力センサに対する下方向の力が所定値未満となったことを前記動作信号に基づいて認識したとき、当該動作信号を出力した前記力センサに対応する前記脚リンク部を、前記利用者の遊脚に対応する遊脚リンク部として特定することを要旨とする。 In a tenth aspect based on the ninth aspect, the control unit applies a force of a predetermined value or more in a downward direction of the force sensor, or applies a torque of a predetermined value or more around the left-right direction of the force sensor. When it is recognized based on the operation signal, the leg link portion corresponding to the force sensor that has output the operation signal is identified as a support leg link portion corresponding to the support leg of the user, When it is recognized based on the operation signal that the downward force on the force sensor is less than a predetermined value, the leg link portion corresponding to the force sensor that has output the operation signal The gist is to specify as a free leg link portion corresponding to.
第11の発明は、上記第10の発明において、前記制御部は、前記力センサの下方向にかかる力が大きくなるのにしたがって前記下肢動作支援装置の上方向の力が大きくなるように、当該支持脚リンク部の前記第2股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御し、前記遊脚リンク部の前記足載置部が、当該足載置部に固定された前記利用者の足の動きに追従するように、当該遊脚リンク部の前記股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御することを要旨とする。 In an eleventh aspect based on the tenth aspect, the control unit is configured so that the upward force of the lower limb movement support device increases as the force applied downward of the force sensor increases. The second leg joint driving actuator unit, the knee joint driving actuator unit, and the ankle joint driving actuator unit of the supporting leg link unit are controlled, and the foot mounting unit of the free leg link unit is The hip joint driving actuator unit, the knee joint driving actuator unit, and the ankle joint driving actuator unit of the free leg link unit are controlled so as to follow the movement of the user's foot fixed to the mounting unit. The gist is to do.
第12の発明は、上記第11の発明において、前記制御部は、前記支持脚リンク部の前記足載置部の底面と前記体装着部とが互いに平行になるように、前記支持脚リンク部の前記第1股関節駆動用アクチュエータユニットを制御することを要旨とする。 In a twelfth aspect based on the eleventh aspect, the control section is configured so that the bottom surface of the foot placement section of the support leg link section and the body mounting section are parallel to each other. And controlling the first hip joint driving actuator unit.
第13の発明は、上記第11の発明または上記第12の発明において、前記制御部は、前記第1股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸よりも前記支持脚リンク部の前記足載置部が前方に存在し、且つ前記遊脚リンク部の前記足載置部が前記第1股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸から後方に存在するとき、前記遊脚リンク部の前記足載置部の前後方向の移動量の二倍の移動量で前記支持脚リンク部の前記足載置部が移動するように当該支持脚リンク部及び当該遊脚リンク部のそれぞれの前記第2股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御し、前記第1股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸よりも前記遊脚リンク部の前記足載置部が前方に存在し、且つ前記支持脚リンク部の前記足載置部が前記第1股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸から後方に存在するとき、前記支持脚リンク部の前記足載置部の前後方向の移動量の二倍の移動量で前記遊脚リンク部の前記足載置部が移動するように当該支持脚リンク部及び当該遊脚リンク部のそれぞれの前記第2股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御することを要旨とする。 In a thirteenth aspect based on the eleventh aspect or the twelfth aspect, the control unit is configured such that the foot placement portion of the support leg link portion is more forward than the rotation shaft of the first hip joint drive actuator unit. And the foot placement portion of the free leg link portion is present behind the rotation axis of the first hip joint drive actuator unit in the front-rear direction of the foot placement portion of the free leg link portion. The second hip joint driving actuator unit and the knee of each of the support leg link part and the free leg link part so that the foot placement part of the support leg link part moves with a movement amount twice the movement amount. The joint drive actuator unit and the ankle joint drive actuator unit are controlled, and the free leg link portion is positioned more than the rotation axis of the first hip joint drive actuator unit. The foot of the support leg link portion is located when the foot placement portion is present forward and the foot placement portion of the support leg link portion is present rearward from the rotation axis of the first hip joint drive actuator unit. The second hip joint of each of the support leg link portion and the free leg link portion so that the foot placement portion of the free leg link portion moves with a movement amount twice as long as the movement amount of the placement portion in the front-rear direction. The gist is to control the actuator unit for driving, the actuator unit for driving the knee joint, and the actuator unit for driving the ankle joint.
上記第1の発明によれば、利用者が自然な立位状態において、体装着部に固定された体幹と足載置部に固定された足裏との2箇所で装置を装着することができるため、装置の装着を容易に行うことができる。 According to the first aspect, in a natural standing state, the user can mount the apparatus at two locations, the trunk fixed to the body mounting portion and the sole fixed to the footrest portion. Therefore, the apparatus can be easily attached.
上記第2の発明によれば、体装着部として、肩から背中にかけて体幹部を広くサポートする背当板に、制御装置やバッテリなどの重量物あるいは、利用者の少なくとも上半身を覆う被覆部材などを取り付けることができる。また、これらの重量は、下肢動作支援装置が支持する。そのため、重量の大きいもの、例えば、高容量のバッテリや、被覆部材として金属板が内部に縫製された防弾チョッキや放射能防護服などを用いた場合であったとしても、利用者にかかる重量の負担を軽減することができる。 According to the second aspect of the present invention, as a body mounting part, a weight plate such as a control device or a battery, or a covering member that covers at least the upper body of the user is applied to a back plate that widely supports the trunk from the shoulder to the back. Can be attached. These weights are supported by the lower limb motion support device. Therefore, even if a heavy battery, for example, a high-capacity battery or a bulletproof vest or a radiological protective suit with a metal plate sewn as a covering member is used, the burden on the user is borne. Can be reduced.
上記第3の発明によれば、足載置部に設けられている力センサにより、体幹部に固定された体装着部に対して利用者が実際に動かした足の動作の方向及び力量を含む動作信号を検出して出力することができる。よって、この信号に基づいて各アクチュエータユニットを制御することができ、下肢動作支援装置の操作を容易かつ確実にすることができる。 According to the third aspect of the present invention, the force sensor provided in the foot placement unit includes the direction and the amount of force of the movement of the foot actually moved by the user with respect to the body wearing unit fixed to the trunk. An operation signal can be detected and output. Therefore, each actuator unit can be controlled based on this signal, and the operation of the lower limb motion support device can be easily and reliably performed.
上記第4の発明によれば、脚リンク部及び足載置部の相対位置に基づいて、利用者の動作を予測するため、高精度な予測結果を得ることができる。 According to the fourth aspect, since the user's motion is predicted based on the relative positions of the leg link portion and the footrest portion, a highly accurate prediction result can be obtained.
上記第5の発明によれば、ねじりの第2信号を用いて利用者の動きや足の接地状態の検出などを高精度に行なうことが可能である。 According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to detect the movement of the user, the contact state of the foot, etc. with high accuracy using the second torsion signal.
上記第6の発明によれば、動作予測部による利用者の動作の予測結果に基づいて、各アクチュエータユニットを利用者の動作よりも早いタイミングで動作させるため、利用者の脚部にかかる負担を軽減することができる。 According to the sixth aspect of the invention, since each actuator unit is operated at a timing earlier than the user's operation based on the prediction result of the user's operation by the operation predicting unit, the burden on the user's leg portion is reduced. Can be reduced.
上記第7の発明によれば、下肢動作支援装置は、この下肢動作支援装置の左右の股関節部のそれぞれにおいてトルクを付与することができ、より高いアシスト効果を奏することができる。 According to the seventh aspect, the lower limb motion support device can apply torque to each of the left and right hip joints of the lower limb motion support device, and can provide a higher assist effect.
上記第8の発明によれば、下肢動作支援装置は、この下肢動作支援装置の左右の股関節部のそれぞれにおいて前後方向周りのトルクを付与することにより、下肢動作支援装置の自重に起因する利用者に対する負荷を軽減することができる。 According to the eighth aspect of the invention, the lower limb motion support device provides the user with the weight of the lower limb motion support device by applying the torque in the front-rear direction at each of the left and right hip joints of the lower limb motion support device. Can be reduced.
上記第9の発明によれば、下肢動作支援装置は、よりきめ細やかなアシスト動作を行うことができる。 According to the ninth aspect, the lower limb movement support device can perform a finer assist operation.
上記第10の発明によれば、下肢動作支援装置は、力センサから出力される信号に基づいて、利用者の支持脚に対応する脚リンク部と、利用者の遊脚に対応する脚リンク部を特定することができる。 According to the tenth aspect of the invention, the lower limb motion support device includes a leg link unit corresponding to the support leg of the user and a leg link unit corresponding to the free leg of the user based on the signal output from the force sensor. Can be specified.
上記第11の発明によれば、下肢動作支援装置は、全ての重量がかかる支持脚に対応する支持脚リンク部によって発生する上方向の力をより大きくして利用者の支持脚にかかる負担を軽減することができる。 According to the eleventh aspect of the invention, the lower limb motion support device increases the upward force generated by the support leg link unit corresponding to the support leg to which all weights are applied, thereby placing a burden on the user's support leg. Can be reduced.
上記第12の発明によれば、下肢動作支援装置は、利用者が遊脚を浮かせている状態であって、この利用者と下肢動作支援装置の重量を支持脚のみで支持しているときに、これらの重量に起因する支持脚への負荷をより軽減することができる。 According to the twelfth aspect of the invention, the lower limb motion support device is in a state where the user floats the free leg, and the weight of the user and the lower limb motion support device is supported only by the support legs. The load on the support leg due to these weights can be further reduced.
上記第13の発明によれば、下肢動作支援装置は、この下肢動作支援装置を装着した利用者の前後方向への移動をより効果的にアシストできる。 According to the thirteenth aspect, the lower limb motion support device can more effectively assist the movement of the user wearing the lower limb motion support device in the front-rear direction.
以下、本発明の実施の形態に係る下肢動作支援装置について、添付図面を参照しながら説明する。なお、位置、方向などに関する表現については、下肢動作支援装置を装着し、直立状態で正面を向いた利用者Pの前後方向にX軸、左右方向にY軸、上下方向にZ軸をとる。また、脚リンク部など、左右一対となるように設けられた部材において、左右の部材を区別する場合には利用者Pを基準として符号にL(左),R(右)を付し、左右の区別をしない場合には、L,Rを付さずに説明する。 Hereinafter, a lower limb movement support device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. As for expressions relating to position, direction, etc., the lower-limb motion support device is worn, and the user P facing the front in an upright state takes the X axis in the front-rear direction, the Y axis in the left-right direction, and the Z axis in the up-down direction. In addition, in a member provided to form a pair of left and right, such as a leg link part, when distinguishing the left and right members, L (left) and R (right) are added to the reference with the user P as a reference, and left and right If no distinction is made, the description will be made without attaching L and R.
(実施の形態1)
図1から図5は、本発明の実施の形態1に係る下肢動作支援装置1の構成を示す図であり、図1は正面図、図3は背面図、図4は側面図である。また、図2は、図1の別例の下肢動作支援装置であって、利用者の上半身を被覆するカバー部材2を懸架部17へ固定した場合の一例を示す正面図である。さらに、図5は、実施の形態1に係る下肢動作支援装置1が屈曲状態にある側面図である。
(Embodiment 1)
1 to 5 are diagrams showing a configuration of a lower limb
図1に示す下肢動作支援装置1は、体装着部10、脚リンク部20L,20R、足載置部50L,50R、膝関節駆動用アクチュエータユニット61L、61R、及びバックパックBPを有している。体装着部10は、利用者Pの体幹に固定して装着される。脚リンク部20L、20Rは、利用者Pの大腿及び下腿に沿って設けられ、利用者Pの大腿及び下腿について非拘束状態となるように体装着部10に連結される。また、体装着部10は、利用者Pの膝関節による屈伸に対応して屈伸可能に構成された膝関節部32L、32Rを有する。足載置部50L、50Rは、脚リンク部20L、20Rと連結する足首関節部41L、41Rを有して、利用者Pの足を載置固定する。膝関節駆動用アクチュエータユニット61L、61Rは、膝関節部32L、32Rに回転トルクを付与して膝関節部32L、32Rを回転させる。足首関節駆動用アクチュエータユニット62L、62Rは、足首関節部41L、41Rに回転トルクを付与して足首関節部41L、41Rを回転させる。
The lower limb
この下肢動作支援装置によれば、利用者Pの体幹に固定して装着される体装着部10を設けているので、この体装着部10によって、利用者Pの膝関節による屈伸の前後にわたって利用者Pの体幹を固定して支持することができる。
また、脚リンク部20L、20Rは、利用者Pの大腿及び下腿について非拘束状態となるように体装着部10に連結されている。そこで、利用者Pは、装置全体の重量による負荷を意識することなく大腿、膝関節及び下腿を比較的自由に動かすことができ、利用者Pの自由度を向上させることができる。
According to this lower limb movement support device, the
Moreover, the
以下に、この下肢動作支援装置1を構成する各構成部材について説明する。
Below, each structural member which comprises this leg operation |
(体装着部10)
図1から図4に示すように、体装着部10は、利用者Pの体幹に固定して装着される部分である。体幹とは、利用者Pの肩、胸、背中、腹、腰及び臀部を含む胴体部分を意味する。図1から図4に示すように、体装着部10は、本体部11、背当板12、大腿関節部13L,13R、固定ベルト14,15,16L,16Rを備えている。
(Body wearing part 10)
As shown in FIGS. 1 to 4, the
本体部11は、利用者Pの背後から側方まで腰まわりに沿って装着されるU字形の部材であり、その中央部分に背当板12が取り付けられている。
The
本体部11の左右両端には、脚リンク部20L,20Rを接続するための部材である股関節部31L,31Rが設けられている。股関節部31L,31Rと本体部11は、X軸方向に沿った第1股関節軸18L,18Rを介して接続されている。したがって、股関節部31L,31RはX軸周りに回転することができる。
Hip
背当板12は、利用者Pの体幹背後に沿って設けられる板状部材である。背当板12には、固定ベルト14,15,16L,16R及びバックパックBPが固定される。
The
背当板12の上部には、利用者Pの肩の上方へ伸びる懸架部17が設けられている。懸架部17は、例えば、利用者Pの上半身を被覆するカバー部材(図1には図示なし)などを固定するために用いられ、設置高さを変更可能に構成されている。懸架部17は背当板12に連結されて構成されているため懸架部17に加わるカバー部材の重量は背当板12に加わり、利用者Pに負担を生じさせることがない。
A
(カバー部材)
図2は、図1の別例の下肢動作支援装置であって、利用者Pの上半身を被覆するカバー部材2を、懸架部17へ固定した場合の一例を示す正面図である。このカバー部材2は、目的に応じた材料によって構成すればよい。例えば、防弾チョッキや放射能防護服をカバー部材2として用いる場合は、金属板や繊維、セラミックプレートなどを被覆部材として利用して構成することができる。また、保温を目的とするカバー部材2の場合には、保温性に優れた材料によって構成すればよい。あるいは、耐熱を目的とするカバー部材の場合には、耐熱性を有する材料によって構成すればよい。
また、カバー部材2は、目的に応じた範囲について、利用者Pを被覆すればよい。例えば、利用者Pの内臓を保護するために、少なくとも上半身を被覆してもよい。また、図2では、正面側の上半身のみを覆っているが、これに限らず、背面側の上半身を覆ってもよい。さらに、例えば、頭部を保護するようにカバー部材2を懸架部17から上部へ向かって固定してもよい。あるいは、下半身を保護するようにカバー部材2を懸架部17に固定してもよい。さらに、全身を保護するために、カバー部材2によって利用者Pの全身を被覆してもよい。
さらに、カバー部材2は、上述した懸架部17に代えて、本体部11へ固定してもよい。
あるいは、利用者Pの下半身を厚く防護する場合、全身を被覆するカバー部材2を懸架部17へ固定する。さらに、利用者Pの下半身を防護するカバー部材(図示せず)を本体部11へ固定してもよい。
(Cover member)
FIG. 2 is a front view showing an example of the lower limb movement support device of FIG. 1, in which the
Moreover, the
Furthermore, the
Or when protecting the lower half of the user P thickly, the
固定ベルト14,15,16L,16Rは、体装着部10を利用者Pに固定するためのフルハーネスタイプの固定ベルトである。すなわち、利用者Pの肩から体幹の前後方向に伸びる上部の固定ベルト14と、利用者Pの両大腿部の付け根にかけて設けられる脚部の固定ベルト15と、利用者Pの腹部に位置するバックル部16bに取り付ける腰の固定ベルト16L,16Rと、によって体装着部10を利用者Pの体幹に固定する。
The fixing
この体装着部10は、座面等のような一つの面のみで利用者Pの体幹を支持するのではなく、フルハーネスタイプの固定ベルト14,15,16L,16Rによって、利用者Pの姿勢によらず利用者Pの体幹を確実に固定して支持できる。そこで、図5に示すような膝関節を曲げた屈伸状態においても、体装着部10によって利用者Pの体幹を固定して支持できる。
The
(脚リンク部20L,20R)
図1から図4に示すように、脚リンク部20L,20Rは、体装着部10と足載置部50L,50Rとを複数の関節部を介して連結しており、利用者Pの脚(肢体)の外側部に沿うように設けられている。また、脚リンク部20L、20Rは、利用者P自身の脚の外側部に設けられているので、利用者Pの大腿、膝関節及び下腿について非拘束状態とすることができる。
(Leg links 20L, 20R)
As shown in FIGS. 1 to 4, the
本実施の形態において、脚リンク部20L,20Rは、アルミ製材料で構成されており、軽量で、利用者Pの体重及び装置自体の自重を支えることができる十分な強度を有する。なお、脚リンク部20L,20Rは、アルミ製材料の他に、カーボン材料などの他の材料から形成されていてもよい。
In the present embodiment, the
脚リンク部20L,20Rは、大腿リンク部30L,30Rと、下腿リンク部40L,40Rと、を備えている。大腿リンク部30L,30Rは、利用者Pの大腿の外側部に沿って延びるリンクである。大腿リンク部30L,30Rの上端は、大腿関節部13L,13Rと接続されており、股関節部31L,31Rを構成する。また、大腿リンク部30L,30Rの上端には、第2股関節軸19L,19Rが連結されており、股関節部31L,31Rに軸支されている。そのため、大腿リンク部30L,30Rは、第2股関節軸19L,19Rを中心として回転可能となっている。さらに、大腿リンク部30L,30Rの下端は、下腿リンク部40L,40Rと接続されており、膝関節部32L,32Rを構成する。
The
股関節部31L,31Rは、利用者Pの股関節の外側に位置している。股関節部31L,31Rは、第2股関節軸19L,19Rを介して、Y軸まわりに回動可能に連結している。
The hip
また、股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rの出力軸は、第2股関節軸19L,19Rに連結しており、後述のように股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rが動作することで、大腿リンク部30L,30RがY軸を中心として回動する。
Further, the output shafts of the hip joint driving
膝関節部32L,32Rは、利用者Pの膝関節の外側に位置し、大腿リンク部30L,30Rと下腿リンク部40L,40Rとを回動可能に連結している。
The knee
下腿リンク部40L,40Rは、利用者Pの下腿の外側部に沿って延びるリンクである。下腿リンク部40L,40Rの上端は、膝関節部32L,32Rに連結されている。また、下腿リンク部40L,40Rの下端は、足首関節部41L,41Rを構成する。
The lower
大腿リンク部30L,30Rの下端は、膝関節部32L,32Rを構成し、膝関節駆動軸33L、33Rを介して下腿リンク部40L,40Rの上端と接続されている。下腿リンク部40L,40Rには、後述する膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61Rが設けられている。この膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61Rが動作することで、大腿リンク部30L,30Rが膝関節駆動軸33L、33Rを中心として回動し、大腿リンク部30L,30Rと下腿リンク部40L,40Rとのなす角度が変化する。
The lower ends of the
(足載置部50L,50R)
図1乃至図4に示すように、足載置部50L,50Rは、利用者Pの足(肢端)に装着される部分である。図3に示すように、足載置部50L,50Rは、利用者Pが履いた専用の靴を固定する靴固定部51L,51Rと地面に接地する接地部52L,52Rを備えている。また、接地部52L,52Rと靴固定部51L,51Rとは、力センサ53L,53Rを介して接続されており、利用者Pの下肢の動作によって靴固定部51L,51Rに加えられた力を検知する。
(
As shown in FIG. 1 thru | or FIG. 4, the
力センサ53L,53Rは、図6に示すような互いに直交するX、Y、Zの3軸方向の力とそれぞれの3軸方向のねじれα、β、γを一つのセンサで同時に計測するセンサである。力センサ53L、53Rとしては、たとえば、ミネベア株式会社の6軸力センサ「OPFT(商標)シリーズ」などを使用することができる。力センサ53L,53Rは、基準部54L,54Rに対して作動部55L,55Rが連結した構成である。基準部54L,54Rは接地部52L,52Rに固定され、作動部55L,55Rには靴固定部51L,51Rが固定されている。そのため、利用者Pの動作が直接的に作動部55L,55Rに伝達され、基準部54L,54Rに対するX、Y、Zの3軸方向の少なくとも1つの力及びα、β、γの3軸方向沿いのねじれを計測され、出力端子56L,56Rを通じて出力される。なお、力センサ53L、53Rに対するX、Y、Zの3軸及びα、β、γの3軸方向沿いのねじれの座標軸は絶対的なものであり、力センサ53L、53Rの向きに応じて外部からみた軸の方向は変動する。
The
接地部52L,52Rには、利用者Pの靴の外側に補強プレート57L,57Rが、設けられており、利用者Pの足の接地時に、接地部52L,52Rが受ける床反力を脚リンク部20L,20Rに伝達可能な構造となっている。補強プレート57L,57Rの上端は下腿リンク部40L,40Rに軸支されており、足載置部50L,50Rが一体として足首関節部41L、41Rを介して下腿リンク部40L,40Rに対する回転運動が可能な構成となっている。
Reinforcing
足首関節部41L、41Rは、下腿リンク部40L,40Rと足載置部50L,50RとをY軸まわりに回動可能に連結している。この足首関節部41L、41Rは、下腿リンク部40L,40Rの下端に設けられた足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rを備える。足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rの出力軸は、補強プレート57L,57Rに連結しており、足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rが動作することで、足載置部50L,50RがY軸を中心として回動する。
The ankle
(アクチュエータユニット)
図1乃至図4に示すように、本実施の形態に係る下肢動作支援装置1は、アクチュエータユニットとして、股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60R、膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61R、足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rを備えている。
(Actuator unit)
As shown in FIGS. 1 to 4, the lower limb
それぞれのアクチュエータユニットは、電動モータ及び減速機を備え、電動モータの出力を減速機によって減速し、動作対象となる各部材感の相対姿勢を変位させる。すなわち、アクチュエータユニットは、各関節部に回転トルクを付与し、駆動させる機能を有する。 Each actuator unit includes an electric motor and a speed reducer, and the output of the electric motor is decelerated by the speed reducer to displace the relative posture of each member feeling to be operated. That is, the actuator unit has a function of applying rotational torque to each joint portion and driving it.
股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rは、大腿関節部13L,13Rに固定されており、股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rの出力軸は、大腿リンク部30L,30Rに接続されている。すなわち、本実施の形態に係る股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rは、大腿関節部13L,13Rと一体であり、その出力軸がY軸まわりに回動することによって、図3の矢印90に示すように大腿リンク部30L,30Rが体装着部10に対して股関節部31L,31Rの第2股関節軸19L,19Rを軸としてY軸まわりに回動する。
The hip joint driving
なお、股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rがトルクを発生していない状態では、股関節部31L,31Rの第2股関節軸19L,19Rは、その回転抵抗は非常に小さくしておくことが好ましい。股関節部31L,31Rの回転抵抗が小さいため、股関節部31L,31Rは回動可能な状態となり、利用者Pの脚の振り出しに支障を来たさないようになっている。
In the state where the
また、大腿関節部13L,13Rの第1股関節軸18L,18Rは、アクチュエータユニットによる動作は行なわれず、利用者Pによる下肢の動作に応じて自由に回動することができる。したがって、利用者Pは、X軸を中心として脚を開閉する動作については、束縛されることなく行なうことができる。
Further, the first hip
股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rには、エンコーダ(ロータリーエンコーダ、図7参照)が設けられている。このエンコーダは、脚リンク部20L,20Rの股関節部31L,31Rに対する相対位置に関するデータとして、股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rの回転角度を検出する。検出された回転角度は、制御部70に出力される。
The hip
膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61Rは、下腿リンク部40L,40Rに設けられており、電動モータ及び減速機を備え、電動モータの出力を減速機によって減速し、大腿リンク部30L,30Rと下腿リンク部40L,40Rとの相対姿勢を変位させる。膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61Rの出力軸は、大腿リンク部30L,30R下端に接続されている。本実施の形態に係る膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61Rは、膝関節部32L,32Rと一体であり、その出力軸がY軸まわりに回動することによって、図3の矢印91に示すように下腿リンク部40L,40Rが大腿リンク部30L,30Rに対して膝関節駆動軸33L,33Rを軸としてY軸まわりに回動する。
The knee joint
膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61Rには、図示しないエンコーダ(ロータリーエンコーダ,図7参照)が設けられている。このエンコーダは、脚リンク部20L,20Rの挙動に関するデータとして、膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61Rの回転角度を検出する。検出された回転角度は、制御部70に出力される。
The knee joint
足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rは、下腿リンク部40L,40Rの下端に設けられており、電動モータ及び減速機を備え、電動モータの出力を減速機によって減速し、下腿リンク部40L,40Rと足載置部50L,50Rの相対姿勢を変位させる。すなわち、この足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rが、足飛関節部41L、41Rに回転トルクを付与し、駆動するためのアクチュエータユニットである。足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rの出力軸は、足載置部50L,50Rの上端に接続されている。本実施の形態に係る足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rは、足首関節部41L、41Rと一体であり、その出力軸がY軸まわりに回動する。そこで、図4の矢印92に示すように下腿リンク部40L,40Rは、足載置部50L、50Rに対して足首関節軸(図示なし)を軸としてY軸まわりに回動する。
The ankle joint
足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rには、図示しないエンコーダ(ロータリーエンコーダ,図7参照)が設けられている。このエンコーダは、下腿リンク部40L,40Rと足載置部50L,50Rとの相対位置の挙動に関するデータとして、足飛関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rの回転角度を検出する。検出された回転角度は、制御部70に出力される。
The ankle joint
(バックパックBP)
バックパックBPは、利用者Pが背負うものであり、制御部70(図7参照)、制御プログラムなどを記録した記憶装置71等及びバッテリ(図示せず)等を収納している。
(Backpack BP)
The backpack BP is carried by the user P and houses a control unit 70 (see FIG. 7), a
バッテリは、力センサ53L,53R、股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60R、膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61R、足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62R及び制御部70に電力を供給する。バッテリによる電力供給は、制御部70によって制御される。
The battery supplies power to the
(制御部)
図7は、本実施の形態にかかる下肢動作支援装置1の機能ブロック図である。図7に示すように、制御部70は、左右の脚リンク部20L,20Rに設けられた力センサ53L,53Rからの出力信号及び各アクチュエータユニット60、61、62に設けられているエンコーダからの位置情報を受けて、上述の3種類のアクチュエータユニット60、61、62を動作させる。制御部70は、それぞれ左右の脚リンク部20L,20Rを独立して動作制御を行なう。すなわち、右側の力センサ53Rから構成される右側操作部72Rから出力された情報は、右側のアクチュエータユニット60R、61R、62Rから構成される右側駆動機構73Rを動作させるための信号として用いられる。
(Control part)
FIG. 7 is a functional block diagram of the lower limb
なお、左右の力センサ53L,53Rからの出力信号に基づく利用者Pの左右一方の脚の位置予測は、左右双方の力センサ53L,53Rからの出力信号に基づいて行ってもよい。例えば、連続した歩行動作において、右脚の動作を時系列的に分析して、同様に左足を動作させるように制御することも可能である。
Note that the position prediction of the left or right leg of the user P based on the output signals from the left and
図7に示すように、本実施の形態に係る下肢動作支援装置1の動作制御は、CPUなどから構成される制御部70と協働する制御プログラム71aによって司られる。制御部70には、たとえばICチップなどを使用することができ、これらに力センサ53L,53Rからの検出が入力されることによって、駆動機構73L,73Rを駆動制御する。駆動機構73L,73Rに内包される各アクチュエータユニットは、それぞれドライバを通じて制御部70と接続され、制御部70からの動作信号に基づいて動作する。
As shown in FIG. 7, the motion control of the lower limb
操作部72L,72Rに設けられている力センサ53L,53Rは、上記のとおりX,Y,Zの3軸方向について正負方向の力とα,β,γ軸周りの回転トルクについて検出し出力する。また、上記の通り、各アクチュエータユニットに設けられているエンコーダは、現在のアクチュエータユニットのモータの位置情報、すなわち、左右の脚リンク部20L,20Rの形状に関する情報を出力する。
The
力センサ53L,53Rから出力された6つのベクトル検出信号Sx,Sy,Sz,Sα、Sβ、Sγ及び3つのエンコーダから出力された3つの位置情報Spは、制御部70に入力される。制御部70は、入力された信号に基づいて、利用者Pがどのような動作をしようとしているかを予測し、それぞれ駆動機構に設けられている各アクチュエータユニット60、61、62を駆動する。すなわち、制御部70は、アクチュエータ作動部として機能する。
The six vector detection signals Sx, Sy, Sz, Sα, Sβ, Sγ output from the
利用者Pの動作の予測データは、記憶部71内に動作予測データ71bとして予め格納されており、各信号の経過情報、各リンク部の相対位置の情報に基づいて、制御部70において利用者Pの動作の予測が行なわれる。すなわち、制御部70は、動作予測部としても機能する。
Prediction data of the motion of the user P is stored in advance as
力センサ53L、53RのX軸に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Sxは、足載置部50L,50RをX軸方向に移動させるように必要なアクチュエータユニット60、61、62を特定し、必要な動作を行なわせる。
The vector signal Sx that detects the urging force in the direction along the X axis of the
力センサ53L、53RのY軸に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Syは、足載置部50L,50RをY軸方向に移動させるように必要なアクチュエータユニット60、61、62を特定し、必要な動作を行なわせる。ただし、本実施の形態においては、Y軸方向に移動させるためのX軸中心又はZ軸中心に回転する脚リンク部20L,20Rの各関節の駆動軸は存在しないため、ベクトル信号Syが入力することによる動作は実質的には行なわれない。
The vector signal Sy that detects the urging force in the direction along the Y axis of the
力センサ53L、53RのZ軸に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Szは、足載置部50L,50RをZ軸方向へ移動させるように必要なアクチュエータユニット60、61、62を特定し、必要な動作を行なわせる。
The vector signal Sz that detects the urging force in the direction along the Z axis of the
力センサ53L、53RのY軸中心のねじり方向の回転トルクを検出したベクトル信号Sβは、足載置部50L,50RをY軸中心に回転させるために、足首関節駆動用アクチュエータユニット62L,62Rを駆動させ、必要な動作を行なわせる。
The vector signal Sβ, which detects the rotational torque in the torsional direction about the Y axis center of the
本実施の形態において、力センサ53L、53Rからの信号を受けて、どのアクチュエータユニット60、61、62をどのように動作させるかについては、現在の脚リンク部20L,20Rの相対位置に基づいて決定される。例えば、大腿リンク部30L,30Rと下腿リンク部40L,40Rが、ほぼ伸張している状態において、X方向正の向きの力が入力された場合は、股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rを動作させると共に、他の膝関節駆動用アクチュエータユニット61、足首関節駆動用アクチュエータユニット62を停止させて、脚リンク部20L,20Rを全体として前方に移動させる。
In the present embodiment, which actuator unit 60, 61, 62 is operated in response to a signal from the
また、大腿リンク部30L,30Rと下腿リンク部40L,40Rが屈曲し、大腿リンク部30L,30Rが上がった状態(腿を上げた姿勢)においては、X方向正の向きの力が入力された場合、膝関節駆動用アクチュエータユニット61L,61Rを動作させて膝関節を伸張させる方向に移動させると共に、股関節駆動用アクチュエータユニット60L,60Rを動作させて、大腿リンク部30L,30Rを下げるように動作させる。
In addition, when the
力センサ53L、53Rの各XYZ軸を中心とするねじり方向の付勢力を検出したベクトル信号Sα、Sβ、Sγは、各アクチュエータユニット60、61、62を直接的に動作させる他に、利用者Pの下肢の状態がどのような状態であるかを検出するための補助的な信号としても用いられる。例えば、通常、人間の下肢の足平は若干外側を向いているため、利用者Pが地面を踏み出す初期のタイミングにおいて、Z軸方向のねじりが強く検出される。また、利用者Pの足平が地面を踏み出した直後においては、Y軸方向のトルクが強く検出される。
The vector signals Sα, Sβ, and Sγ that detect the biasing force in the torsional direction about the XYZ axes of the
また、例えば、Z軸方向の力を検出している最中に、X軸方向に足首がねじれるような方向に力が加わった場合、当該脚リンク部20L,20Rは接地していることを予測することができる。
Further, for example, when a force is applied in a direction in which the ankle is twisted in the X-axis direction while detecting a force in the Z-axis direction, it is predicted that the
このように、各ねじり方向の信号は、利用者Pの脚の状態(すなわち、動作経過や接地の有無)を予測に用いることができる。 Thus, the signal of each torsion direction can be used for prediction of the state of the leg of the user P (that is, the progress of operation and the presence or absence of grounding).
上記の予測結果に基づいて、各軸方向の出力信号及びエンコーダの出力信号Spと共に、どのアクチュエータユニットを動作させるかの決定を行なうことができる。すなわち、利用者Pの脚の状態を各ねじり方向の信号Sα、Sβ、Sγにより予測すると共に、エンコーダからの出力信号Spにより、装置自体の位置情報を予測する。このように、本実施の形態の下肢動作支援装置においては、利用者Pの下肢と装置が足先でのみの固定であり、大腿リンク部30L,30Rと下腿リンク部40L,40Rにかけて、利用者Pの大腿、膝関節及び下腿について非拘束の状態である。そのため、これらの2種類の情報を用いることでより適切な制御動作を実現することができる。
Based on the above prediction result, it is possible to determine which actuator unit is to be operated together with the output signal Sp of each axis and the output signal Sp of the encoder. That is, the state of the leg of the user P is predicted by signals Sα, Sβ, Sγ in each torsion direction, and the position information of the device itself is predicted by the output signal Sp from the encoder. As described above, in the lower limb motion support device of the present embodiment, the user P's lower limb and the device are fixed only at the toes, and the user covers the
<下肢動作支援装置の使用方法>
次に、本実施の形態に係る下肢動作支援装置の使用方法について説明する。本実施の形態に係る下肢動作支援装置1を利用者Pに装着する場合には、利用者Pが専用靴を履いた状態で、足載置部50L,50Rの靴固定部51L,51Rに専用靴を固定する。専用靴の靴裏には、靴固定部51L,51Rに固定するための図示しない突状部が設けられており、これを靴固定部51L,51Rにはめ込むことで、専用靴と靴固定部51L,51Rを固定させる。
<How to use the lower limb movement support device>
Next, a method of using the lower limb motion support device according to the present embodiment will be described. When the user P wears the lower limb
その後、体装着部10の固定ベルト14,15,16L,16Rを締め、体装着部10を利用者Pの体幹に固定する。したがって、利用者Pは、足裏と体幹部分が下肢動作支援装置1に固定されるが、利用者P自身の大腿、膝関節及び下腿は、非拘束の状態となっている。
Thereafter, the fixing
この状態では、利用者Pは、足載置部50L、50R上に乗り、固定ベルト14,15,16L,16Rによって体幹を体装着部10に固定された状態となっている。このとき、利用者Pの体重及び体装着部10に連結されたバックパックBPの重量などは、体装着部10から大腿リンク部30L,30Rを下側に押下し、下肢動作支援装置1の膝関節部32L、32Rを屈曲する方向に加わり、利用者P自身には負荷が加わらない。
In this state, the user P is on the
利用者Pが、足を動作させようとすると、足載置部50L,50Rの力センサ53L、53Rからその動作に応じた信号が出力され、上記のように各アクチュエータユニット60、61、62の選択及び動作態様が演算される。その後、当該演算結果に基づいて上記の通り各アクチュエータユニット60、61、62が作動し、利用者Pの動作に応じて下肢動作支援装置が動くことで利用者Pの動作をアシストする。
When the user P attempts to move his / her foot, signals corresponding to the operation are output from the
以上述べたように、本発明の実施の形態における下肢動作支援装置1においては、利用者Pが自然な立位状態において、体装着部10を体幹に固定した後、足裏を足載置部50L、50Rに固定するだけで装置を装着することができるため、装置の装着が容易である。さらに、利用者Pが自然な状態で立位状態になるときなど、利用者P自身の膝関節にかかる自重を下肢動作支援装置1の脚リンク部20L、20Rにより支持することができる。このため、背当板12などに設けられたバックパックや懸架部17に取り付けられた利用者Pの上半身を被覆するカバー部材2などは、脚リンク部20L,20Rにより支持され、利用者Pの負担を軽減することができる。また、力センサ53から出力される信号を検知して、制御部70が使用者Pの動作を予測判定し、その判定結果にもとづいて、アクチュエータユニット60、61、62を動作させるので、利用者Pの動作を確実にアシストすることができる。
As described above, in the lower limb
(実施の形態2)
図8は、本発明の実施の形態2に係る下肢動作支援装置の構成を示す正面図である。図9は、図8の下肢動作支援装置の左側面図である。
図8及び図9を参照して、本発明の実施の形態2に係る下肢動作支援装置101の構成について説明する。
下肢動作支援装置101は、利用者Pの体幹に対応する構成として体装着部110を備える。また、下肢動作支援装置101は、脚リンク部120Lと、脚リンク部120Rと、バックパック250とを備える。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a front view showing the configuration of the lower limb motion support apparatus according to
With reference to FIG.8 and FIG.9, the structure of the leg operation | movement assistance apparatus 101 which concerns on
The lower limb motion support device 101 includes a body mounting unit 110 as a configuration corresponding to the trunk of the user P. The lower limb motion support device 101 includes a
体装着部110は、本体部111と、背当板112と、上部固定ベルト113と、中部固定ベルト114と、下部固定ベルト115とを備える。本体部111は、背当板112の下部に取り付けられている。本体部111は、平面視で略U字型に成形されている。本体部111は、利用者Pが体装着部110を装着したときに利用者Pの背中の下部から左右の脇腹までの部位を覆う。
The body mounting part 110 includes a main body part 111, a
背当板112は、略長方形の板状に成形されている。背当板112は、利用者Pが体装着部110を装着したときに利用者Pの背中の一面を覆う。
The
上部固定ベルト113は、背当板112に取り付けられている。上部固定ベルト113は、利用者Pが体装着部110を背負うことを可能にする一対のベルトである。上部固定ベルト113は、背当板112の上部における左右方向の略中央にそれぞれの一端が取り付けられ、利用者Pの左右の脇腹に対応する本体部111の箇所にそれぞれの他端が取り付けられている。
The
中部固定ベルト114は、利用者Pの腹部に対応するベルトである。中部固定ベルト114は、利用者Pによって装着されるときに、X軸方向に沿って利用者Pの腹部を覆うように、本体部111の左右方向の両側面に両端が取り付けられる。
The middle
下部固定ベルト115は、利用者Pの左右の大腿部にそれぞれ対応する一対のベルトである。下部固定ベルト115は、利用者Pによって装着されるときに、利用者Pの股間を背後から通過するように、本体部111の左右方向の略中央にそれぞれの一端が取り付けられ、利用者Pの左右の脇腹に対応する本体部111の箇所にそれぞれの他端が取り付けられている。
The
なお、上部固定ベルト113、中部固定ベルト114、及び下部固定ベルト115は、利用者Pに対する着脱を容易にするため図示しないバックルをそれぞれ備えている。
The
脚リンク部120Lは、利用者Pの左脚部に対応する。脚リンク部120Lは、股関節部130Lと、大腿部180Lと、膝関節部190Lと、脛部210Lと、足首関節部220Lと、足載置部240Lとを備える。
The
股関節部130Lは、第1股関節部140Lと、第2股関節部160Lとを備える。第1股関節部140Lは、第1股関節軸141Lと、第1股関節駆動用アクチュエータユニット150Lとを備える。第1股関節軸141Lは、下肢動作支援装置101の前後方向に平行な回転軸を中心として回転可能に、本体部111の左側面の外側において、第1股関節部140Lを含む脚リンク部120Lを支持する。
The hip joint portion 130L includes a first hip
第1股関節駆動用アクチュエータユニット150Lは、モータ151Lと、減速機152Lと、駆動用プーリー153Lと、被駆動用プーリー154Lと、タイミングベルト155Lと、ロータリーエンコーダ156Lとを用いて構成され、第1股関節部140Lに取り付けられる。モータ151Lの出力軸は、下肢動作支援装置101の前後方向と平行する。
The first hip joint driving
減速機152Lは、入力部に伝達された回転を減速して出力部に伝達する波動歯車装置である。減速機152Lは、下肢動作支援装置101の前後方向を中心として入力部と出力部とがそれぞれ回転可能に第1股関節部140Lに取り付けられる。減速機152Lの出力部には、第1股関節軸141Lの一端が挿入され、第1股関節軸141Lの他端には第2股関節部160Lが嵌め込まれる。減速機152Lの出力部は、第2股関節部160Lに連結される。減速機152Lの出力部と第2股関節部160Lとは一体的、且つ第1股関節軸141Lに対して相対回転可能に固定される。
The
駆動用プーリー153Lは、モータ151Lの出力軸に取り付けられる。被駆動用プーリー154Lは、減速機152Lの入力部に取り付けられる。タイミングベルト155Lは、駆動用プーリー153Lと、被駆動用プーリー154Lとを連結する。ロータリーエンコーダ156Lは、モータ151Lに内蔵される。
The driving
第2股関節部160Lは、第2股関節軸161Lと、第2股関節駆動用アクチュエータユニット170Lとを備える。第2股関節軸161Lは、下肢動作支援装置101の左右方向を中心として回転可能に、第1股関節部140Lの下部において、大腿部180Lと、膝関節部190Lと、脛部210Lと、足首関節部220Lと、足載置部240Lとを支持する。
The second hip
第2股関節駆動用アクチュエータユニット170Lは、モータ171Lと、減速機172Lと、駆動用プーリー173Lと、被駆動用プーリー174Lと、タイミングベルト175Lと、ロータリーエンコーダ176Lとを用いて構成され、第2股関節部160Lに取り付けられる。モータ171Lの出力軸は、下肢動作支援装置101の左右方向と平行する。
The second hip joint driving actuator unit 170L includes a motor 171L, a
減速機172Lは、減速機152Lと同様の波動歯車装置である。減速機172Lは、下肢動作支援装置101の前後方向を中心として入力部と出力部とがそれぞれ回転可能に第2股関節部160Lに取り付けられる。減速機172Lの出力部には、第2股関節軸161Lの一端が挿入され、第2股関節軸161Lの他端には大腿部180Lが嵌め込まれる。減速機172Lの出力部は、大腿部180Lに連結される。減速機172Lの出力部と大腿部180Lとは一体的、且つ第2股関節軸161Lに対して相対回転可能に固定される。
The
駆動用プーリー173Lは、モータ171Lの出力軸に取り付けられる。被駆動用プーリー174Lは、減速機172Lの入力部に取り付けられる。タイミングベルト175Lは、駆動用プーリー173Lと、被駆動用プーリー174Lとを連結する。ロータリーエンコーダ176Lは、モータ171Lに内蔵される。
The driving
大腿部180Lは、回転連結部181Lと、ロータリーエンコーダ182Lとを備える。大腿部180Lは、減速機172Lの出力部に長手方向の一端側が連結され、膝関節部190Lに長手方向の他端側が連結される。
The
回転連結部181Lは、大腿部180Lの長手方向の一端側と他端側とを、この大腿部180Lの長手方向を中心として相対的に回転可能に連結する。ロータリーエンコーダ182Lは、大腿部180Lの長手方向の一端側と他端側との回転連結部181Lにおける連結箇所に取り付けられる。
The
膝関節部190Lは、膝関節軸191Lと、膝関節駆動用アクチュエータユニット200Lとを備える。膝関節部190Lは、長手方向の一端側が大腿部180Lに連結され、長手方向の他端側が脛部210Lに連結される。膝関節軸191Lは、脛部210Lと、足首関節部220Lと、足載置部240Lとを、下肢動作支援装置101の左右方向を中心として回転可能に、脛部210L側において支持する。
The knee
膝関節駆動用アクチュエータユニット200Lは、モータ201Lと、減速機202Lと、駆動用プーリー203Lと、被駆動用プーリー204Lと、タイミングベルト205Lと、ロータリーエンコーダ206Lとを用いて構成され、膝関節部190Lに取り付けられる。モータ201Lの出力軸は、下肢動作支援装置101の左右方向と平行する。
The knee joint driving actuator unit 200L includes a motor 201L, a speed reducer 202L, a driving
減速機202Lは、減速機152Lと同様の波動歯車装置である。減速機202Lは、下肢動作支援装置101の前後方向を中心として入力部と出力部とがそれぞれ回転可能に膝関節部190Lに取り付けられる。減速機202Lの出力部には、膝関節軸191Lの一端が挿入され、膝関節軸191Lの他端には脛部210Lが嵌め込まれる。減速機202Lの出力部は、脛部210Lに連結される。減速機202Lの出力部と脛部210Lとは一体的、且つ膝関節軸191Lに対して相対回転可能に固定される。
The reduction gear 202L is a wave gear device similar to the
駆動用プーリー203Lは、モータ201Lの出力軸に取り付けられる。被駆動用プーリー204Lは、減速機202Lの入力部に取り付けられる。タイミングベルト205Lは、駆動用プーリー203Lと、被駆動用プーリー204Lとを連結する。ロータリーエンコーダ206Lは、モータ201Lに内蔵される。
The driving
脛部210Lは、長手方向の一端側が減速機202Lの出力部に連結され、長手方向の他端側が足首関節部220Lに連結される。
The
足首関節部220Lは、足首関節軸221Lと、足首関節駆動用アクチュエータユニット230Lとを備える。足首関節部220Lは、長手方向の一端側が脛部210Lに連結され、長手方向の他端側が足載置部240Lに連結される。足首関節軸221Lは、下肢動作支援装置101の左右方向を中心として回転可能に、足首関節部220Lの足載置部240L側において、この足載置部240Lを支持する。
The ankle
足首関節駆動用アクチュエータユニット230Lは、モータ231Lと、減速機232Lと、駆動用プーリー233Lと、被駆動用プーリー234Lと、タイミングベルト235Lと、ロータリーエンコーダ236Lとを用いて構成され、足首関節部220Lに取り付けられる。モータ231Lの出力軸は、下肢動作支援装置101の左右方向と平行する。
The ankle joint driving actuator unit 230L includes a
減速機232Lは、減速機152Lと同様の波動歯車装置である。減速機232Lは、下肢動作支援装置101の左右方向を中心として入力部と出力部とがそれぞれ回転可能に足首関節部220Lに取り付けられる。減速機232Lの出力部には、足首関節軸221Lの一端が挿入され、足首関節軸221Lの他端には足載置部240Lが嵌め込まれる。減速機232Lの出力部は、足載置部240Lに連結される。減速機232Lの出力部と足載置部240Lとは一体的、且つ足首関節軸221Lに対して相対回転可能に固定される。
The reducer 232L is a wave gear device similar to the
駆動用プーリー233Lは、モータ231Lの出力軸に取り付けられる。被駆動用プーリー234Lは、減速機232Lの入力部に取り付けられる。タイミングベルト235Lは、駆動用プーリー233Lと、被駆動用プーリー234Lとを連結する。ロータリーエンコーダ236Lは、モータ231Lに内蔵される。
The driving
足載置部240Lは、足首リンク部241Lと、足底リンク部242Lと、足底板243Lと、力センサ244Lと、靴連結部245Lと、ロータリーエンコーダ246Lとを備える。足首リンク部241Lは、一端側が足首関節軸221Lに嵌め込まれ、他端側が足底リンク部242Lに連結される。足底リンク部242Lは、下肢動作支援装置101の前後方向を中心として、足底板243Lが足首リンク部241Lに対して回転可能に、この足底板243Lを、回転軸を用いて足首リンク部241Lに連結する。足底板243Lは、足底リンク部242Lとの連結箇所から下肢動作支援装置101の内側に突出する略板状に成形される。
The foot placement portion 240L includes an ankle link portion 241L, a sole link portion 242L, a
力センサ244Lは、略円柱形状に成形される。力センサ244Lは、互いに平行な上側面と下側面とに直交する方向を上下方向とし、この上下方向を法線方向とする平面における任意の一方向を左右方向とし、この平面においてこの左右方向に直交する方向を前後方向とする。力センサ244Lは、この力センサ244Lの前後方向、左右方向、及び上下方向に作用する直線方向の力と、これらの各直線方向周りのトルクをそれぞれ独立して検出する。力センサ244Lは、足底板243Lの上側面において、下肢動作支援装置101を装着した利用者Pの左足裏に対応する箇所に取り付けられる。
The force sensor 244L is formed in a substantially cylindrical shape. In the force sensor 244L, the direction perpendicular to the upper side surface and the lower side surface parallel to each other is defined as the vertical direction, and any one direction in the plane having the vertical direction as the normal direction is defined as the left-right direction. An orthogonal direction is a front-rear direction. The force sensor 244L independently detects the linear force acting in the front-rear direction, the left-right direction, and the vertical direction of the force sensor 244L, and the torque around each of these linear directions. The force sensor 244L is attached to a position corresponding to the left sole of the user P wearing the lower limb motion support device 101 on the upper side surface of the
靴連結部245Lは、下肢動作支援装置101を装着した利用者Pが左足に着用している靴と力センサ244Lとを、この力センサ244Lの上側面において連結する。靴連結部245Lは、利用者Pが着用している靴の靴底に設けられた金具に対応し、この靴を着脱可能にする固定金具を有する。 The shoe connecting part 245L connects the shoe worn by the user P wearing the lower limb motion support apparatus 101 to the left foot and the force sensor 244L on the upper side surface of the force sensor 244L. The shoe connecting portion 245L corresponds to a metal fitting provided on the shoe sole of the shoe worn by the user P, and has a fixing metal fitting that allows the shoe to be attached and detached.
脚リンク部120Rは、利用者Pの右脚部に対応する。脚リンク部120Rの各構成は、脚リンク部120Lの各要素の形状と左右対称の形状を有することを除いて、脚リンク部120Lの各構成と同様であるため、説明を省略する。
The
バックパック250は、背当板112において、利用者Pの後側の面に取り付けられる。バックパック250は、制御部251と、記憶装置252と、電源253とを備える。
The
下肢動作支援装置101の動作について説明する。
第1股関節駆動用アクチュエータユニット150Lのモータ151Lの回転に伴って、駆動用プーリー153L、タイミングベルト155L、被駆動用プーリー154L、及び減速機152Lが回転する。第2股関節部160L、大腿部180L、膝関節部190L、脛部210L、足首関節部220L、及び足載置部240Lは、減速機152Lの回転に伴って、第1股関節軸141Lを中心として、一体的に回転する。ロータリーエンコーダ156Lは、モータ151Lの出力軸の回転角度を絶対値で示す信号を出力する。
The operation of the lower limb motion support apparatus 101 will be described.
As the
第2股関節駆動用アクチュエータユニット170Lのモータ171Lの回転に伴って、駆動用プーリー173L、タイミングベルト175L、被駆動用プーリー174L、及び減速機172Lが回転する。大腿部180L、膝関節部190L、脛部210L、足首関節部220L、及び足載置部240Lは、減速機172Lの回転に伴って、第2股関節軸161Lを中心として、一体的に回転する。ロータリーエンコーダ176Lは、モータ171Lの出力軸の回転角度を絶対値で示す信号を出力する。
As the motor 171L of the second hip joint driving actuator unit 170L rotates, the driving
膝関節駆動用アクチュエータユニット200Lのモータ201Lの回転に伴って、駆動用プーリー203L、タイミングベルト205L、被駆動用プーリー204L、及び減速機202Lが回転する。脛部210L、足首関節部220L、及び足載置部240Lは、減速機202Lの回転に伴って、膝関節軸191Lを中心として、一体的に回転する。ロータリーエンコーダ206Lは、モータ201Lの出力軸の回転角度を絶対値で示す信号を出力する。
As the motor 201L of the knee joint driving actuator unit 200L rotates, the driving
足首関節駆動用アクチュエータユニット230Lのモータ231Lの回転に伴って、駆動用プーリー233L、タイミングベルト235L、被駆動用プーリー234L、及び減速機232Lが回転する。足載置部240Lは、減速機232Lの回転に伴って、足首関節軸221Lを中心として、一体的に回転する。ロータリーエンコーダ236Lは、モータ231Lの出力軸の回転角度を絶対値で示す信号を出力する。
As the
脚リンク部120Rの各構成の動作は、脚リンク部120Lの各構成の動作と左右対称の動作をすることを除いて、脚リンク部120Lの各構成の動作と同様であるため、説明を省略する。
The operation of each component of the
利用者Pの動作、脚リンク部120Lの各モータ、及び脚リンク部120Rの各モータの動作に伴う力が、足底板243Lと足底板243Rを介して接地面に作用する。また、足底板243Lと足底板243Rとは、接地面に作用する力に応じた反力を受ける。足底243Lと足底板243Rとの接地面を介して作用する力と反力(以下、作用力と称する)とに応じて、下肢動作支援装置101及び利用者Pの姿勢が変化する。
The forces accompanying the operations of the user P, the motors of the
大腿部180Lにおいて、膝関節部190L側の端部は、作用力に応じて回転連結部181Lの回転方向に回転する。膝関節部190L、脛部210L、足首関節部220L、及び足載置部240Lは、回転連結部181Lの回転に伴って、この回転連結部181Lの回転方向に一体的に回転する。ロータリーエンコーダ182Lは、大腿部180Lの膝関節部190L側の端部が、第2股関節部160L側の端部に対してなす角度を絶対値で示す信号を出力する。
In the
足底板243は、足底リンク部242Lの回転軸周りに作用するトルクに応じて回転する。ロータリーエンコーダ246Lは、足首リンク部241Lと足底リンク部242とのなす角度を絶対値で示す信号を出力する。
The
力センサ244L、及び力センサ244Rのそれぞれは、作用力に応じた各直線方向の力と、各直線方向周りのトルクとをそれぞれ示す信号を出力する。
Each of the force sensor 244L and the
図10を参照して、下肢動作支援装置101の制御構成について説明する。
ロータリーエンコーダ156L、ロータリーエンコーダ176L、ロータリーエンコーダ182L、ロータリーエンコーダ206L、ロータリーエンコーダ236L、ロータリーエンコーダ246L、及び力センサ244Lが、脚リンク部120Lの各構成の状態を検出するセンサとして制御部251に接続される。また、ロータリーエンコーダ156R、ロータリーエンコーダ176R、ロータリーエンコーダ182R、ロータリーエンコーダ206R、ロータリーエンコーダ236R、ロータリーエンコーダ246R、及び力センサ244Rが、脚リンク部120Rの各構成の状態を検出するセンサとして制御部251に接続される。
With reference to FIG. 10, the control configuration of the lower limb motion support apparatus 101 will be described.
The
以下では、脚リンク部120Lに含まれるロータリーエンコーダについて、ロータリーエンコーダ156Lから出力される信号を左第1股関節角度信号LSaと称し、ロータリーエンコーダ176Lから出力される信号を左第2股関節角度信号LSbと称し、ロータリーエンコーダ182Lから出力される信号を左大腿部角度信号LScと称する。さらに、ロータリーエンコーダ206Lから出力される信号を左膝関節角度信号LSdと称し、ロータリーエンコーダ236Lから出力される信号を左足首関節角度信号LSeと称し、ロータリーエンコーダ246Lから出力される信号を左足底角度信号LSfと称する。
Hereinafter, for the rotary encoder included in the
そして、脚リンク部120Lの力センサ244Lについて、力センサ244Lによって検出された前後方向の力を示す信号を左第1力信号LSxと称し、力センサ244Lによって検出された左右方向の力を示す信号を左第2力信号LSyと称し、力センサ244Lによって検出された上下方向の力を示す信号を左第3力信号LSzと称する。さらに、力センサ244Lによって検出された前後方向周りのトルクを示す信号を左第1トルク信号LSαと称し、力センサ244Lによって検出された左右方向周りのトルクを示す信号を左第2トルク信号LSβと称し、力センサ244Lによって検出された上下方向周りのトルクを示す信号を左第3トルク信号LSγと称する。
For the force sensor 244L of the
また、脚リンク部120Rに含まれるロータリーエンコーダについて、ロータリーエンコーダ156Rから出力される信号を右第1股関節角度信号RSaと称し、ロータリーエンコーダ176Rから出力される信号を右第2股関節角度信号RSbと称し、ロータリーエンコーダ182Rから出力される信号を右大腿部角度信号RScと称する。さらに、ロータリーエンコーダ206Rから出力される信号を右膝関節角度信号RSdと称し、ロータリーエンコーダ236Rから出力される信号を右足首関節角度信号RSeと称し、ロータリーエンコーダ246Rから出力される信号を右足底角度信号RSfと称する。
Regarding the rotary encoder included in the
そして、脚リンク部120Rの力センサ244Rについて、力センサ244Rによって検出された前後方向の力を示す信号を右第1力信号RSxと称し、力センサ244Rによって検出された左右方向の力を示す信号を右第2力信号RSyと称し、力センサ244Rによって検出された上下方向の力を示す信号を右第3力信号RSzと称する。さらに、力センサ244Rによって検出された前後方向周りのトルクを示す信号を右第1トルク信号RSαと称し、力センサ244Rによって検出された左右方向周りのトルクを示す信号を右第2トルク信号RSβと称し、力センサ244Rによって検出された上下方向周りのトルクを示す信号を右第3トルク信号RSγと称する。
For the
図10は、図8の下肢動作支援装置の制御構成を示すブロック図である。
図10に示されるように、脚リンク部120Lのモータ151L、モータ171L、モータ201L、及びモータ231Lは、制御部251の制御対象としてこの制御部251に接続される。また、脚リンク部120Rのモータ151R、モータ171R、モータ201R、及びモータ231Rは、制御部251の制御対象としてこの制御部251に接続される。
FIG. 10 is a block diagram showing a control configuration of the lower limb motion support apparatus of FIG.
As shown in FIG. 10, the motor 151 </ b> L, the motor 171 </ b> L, the
記憶装置252は、制御部251に接続される。記憶装置252は、不揮発性の情報記憶媒体である。記憶装置252は、制御部251による情報の読み出し動作に応じた情報の出力と、制御部251による情報の書き込み動作に応じた情報の記憶とを行う。 The storage device 252 is connected to the control unit 251. The storage device 252 is a nonvolatile information storage medium. The storage device 252 outputs information according to the information reading operation by the control unit 251 and stores information according to the information writing operation by the control unit 251.
電源253は、制御部251に接続される。電源253は、制御部251及び記憶装置252に電力を供給する。また、電源253は、脚リンク部120L、及び脚リンク部120Rにそれぞれ備えられた各ロータリーエンコーダ、各力センサ、及び各モータに電力を供給する。なお、脚リンク部120L、及び脚リンク部120Rにそれぞれ備えられた各ロータリーエンコーダ、各力センサ、及び各モータと、電源253との接続関係は、図示の便宜のために省略する。
The power source 253 is connected to the control unit 251. The power supply 253 supplies power to the control unit 251 and the storage device 252. The power supply 253 supplies power to each rotary encoder, each force sensor, and each motor provided in each of the
制御部251の制御動作について説明する。
制御部251の制御動作は、次の少なくとも四つの制御動作を除いて実施の形態1にかかる下肢動作支援装置1と同様である。第一の制御動作は、脚リンク部120L及び脚リンク部120Rを、利用者Pの支持脚及び遊脚に対応する脚リンク部としてそれぞれ特定する制御動作である。第二の制御動作は、足載置部240L及び足載置部240Rの前後方向の移動量の制御動作である。第三の制御動作は、第1股関節アクチュエータユニット150L及び第1股関節アクチュエータユニット150Rの制御動作である。第四の制御動作は、支持脚リンク部を制御することによって、下肢動作支援装置101の上方向の力を発生する制御動作である。
The control operation of the control unit 251 will be described.
The control operation of the control unit 251 is the same as that of the lower limb
図11は、図8の下肢動作支援装置の利用者の歩行時において、利用者の左足に対応する力センサに作用する外力について、図11(a)は左足の足載置部の力センサに作用する力を示す模式図であり、図11(b)は左足の足載置部の力センサに作用するトルクを示す模式図である。
図11を参照して、脚リンク部120L及び脚リンク部120Rのそれぞれが、利用者Pの支持脚及び遊脚のいずれに対応するかを制御部251が特定する動作を、上記第一の制御動作として説明する。
11 shows the external force acting on the force sensor corresponding to the user's left foot during walking of the user of the lower limb movement support device of FIG. 8, and FIG. 11 (a) shows the force sensor of the foot placement portion of the left foot. It is a schematic diagram which shows the force which acts, FIG.11 (b) is a schematic diagram which shows the torque which acts on the force sensor of the foot mounting part of a left leg.
Referring to FIG. 11, the first control is performed by the control unit 251 specifying whether each of the
図11(a)に示されるように、左足が支持脚となっている場合に、利用者Pの歩行動作の過程には、力センサ244Lの左側面視における略真上に利用者Pの重心が移動する時が含まれる。このとき、力センサ244Lの下方向にかかる力が上昇する。したがって、左第3力信号LSzによって示される力が上昇する。右足が支持脚となっている場合は、左足が支持脚となっている場合と同様に、右第3力信号RSzによって示される力が上昇する。 As shown in FIG. 11 (a), when the left foot is a supporting leg, the center of gravity of the user P is almost directly above the force sensor 244L in the process of walking. This includes the time when moves. At this time, the force applied downward in the force sensor 244L increases. Accordingly, the force indicated by the left third force signal LSz increases. When the right foot is the support leg, the force indicated by the right third force signal RSz increases as in the case where the left foot is the support leg.
図11(b)に示されるように、左足が支持脚となっている場合に、利用者Pの歩行動作の過程には、左足のつま先を踏み込む動作と、左足の踵を上方向に持ち上げる動作とが含まれる。このとき、力センサ244Lには、この力センサ244Lの左右方向周りのトルクが作用する。したがって、左第2トルク信号LSβによって示されるトルクが上昇する。右足が支持脚となっている場合は、左足が支持脚となっている場合と同様に、右第2トルク信号RSβによって示されるトルクが上昇する。 As shown in FIG. 11 (b), when the left foot is a supporting leg, in the process of the walking motion of the user P, a motion of stepping on the toes of the left foot and a motion of lifting the heel of the left foot upward And are included. At this time, the torque around the left and right direction of the force sensor 244L acts on the force sensor 244L. Therefore, the torque indicated by the left second torque signal LSβ increases. When the right foot is the support leg, the torque indicated by the right second torque signal RSβ increases as in the case where the left foot is the support leg.
制御部251は、左第3力信号LSzによって示される力または左第2トルク信号LSβによって示されるトルクが、それぞれに対する所定のしきい値以上となったとき、左足に対応する脚リンク部120Lを支持脚リンク部として特定する。制御部251は、右第3力信号RSzによって示される力または右第2トルク信号RSβによって示されるトルクが、それぞれに対する所定のしきい値以上となったとき、右足に対応する脚リンク部120Rを支持脚リンク部として特定する。
When the force indicated by the left third force signal LSz or the torque indicated by the left second torque signal LSβ is equal to or greater than a predetermined threshold value for each, the control unit 251 moves the
左足が遊脚になるとき、利用者Pは、左足を持ち上げようとするため、力センサ244Lの下方向に作用する力が減少する。したがって、左第3力信号LSzによって示される力が減少する。右足が遊脚になるとき、利用者Pは、右足を持ち上げようとするため、力センサ244Rの下方向に作用する力が減少する。そして、右第3力信号RSzによって示される力が減少する。
When the left foot becomes a free leg, the user P tries to lift the left foot, so the force acting downward in the force sensor 244L decreases. Accordingly, the force indicated by the left third force signal LSz decreases. When the right foot becomes a free leg, the user P tries to lift the right foot, so that the force acting downward in the
制御部251は、左第3力信号LSzによって示される力が、所定のしきい値未満となったとき、左足に対応する脚リンク部120Lを遊脚リンク部として特定する。制御部251は、右第3力信号RSzによって示される力が、所定のしきい値未満となったとき、右足に対応する脚リンク部120Rを遊脚リンク部として特定する。
When the force indicated by the left third force signal LSz becomes less than a predetermined threshold, the control unit 251 specifies the
図12は、図8の下肢動作支援装置の足載置部の前後方向の移動量を平面視で示す模式図であり、図12(a)は支持脚リンク部の足載置部が股関節軸位置よりも前にあり、且つ遊脚リンク部の足載置部が股関節軸位置の後方にあるときの移動量を示す模式図であり、図12(b)は支持脚リンク部の足載置部が股関節軸位置よりも後にあり、且つ遊脚リンク部の足載置部が股関節軸位置よりも前にあるときの移動量を示す模式図である。
図12を参照して、制御部251が、足載置部240L及び足載置部240Rの前後方向の位置を制御する動作を上記第二の制御動作として説明する。
制御部251は、各ロータリーエンコーダから出力される信号を取得することにより、脚リンク部120L及び脚リンク部120Rの各構成の回転角度または位置を算出する。
より詳細には、制御部251は、左第1股関節角度信号LSaによって示されるモータ151Lの出力軸の回転角度と減速機152Lの減速比とに基づいて、第2股関節部160Lの第1股関節軸141L周りの回転角度を左第1股関節角度Lθaとして算出する。制御部251は、左第2股関節角度信号LSbによって示されるモータ171Lの出力軸の回転角度と減速機172Lの減速比とに基づいて、大腿部180Lの第2股関節軸161L周りの回転角度を左第1股関節角度Rθbとして算出する。
FIG. 12 is a schematic view showing the amount of movement in the front-rear direction of the foot placement portion of the lower limb motion support apparatus of FIG. 8 in plan view. FIG. 12 (a) shows the foot placement portion of the support leg link portion as the hip joint axis. FIG. 12B is a schematic diagram showing the amount of movement when the foot placement part of the free leg link part is behind the hip joint position, and FIG. 12B is the foot placement of the support leg link part. It is a schematic diagram which shows the movement amount when a part is after the hip joint axis position and the foot placement part of the free leg link part is before the hip joint axis position.
With reference to FIG. 12, an operation in which the control unit 251 controls the positions of the foot placement unit 240L and the
The control unit 251 calculates the rotation angle or position of each component of the
More specifically, the control unit 251 determines the first hip joint axis of the second hip
制御部251は、回転連結部181Lにおける大腿部180Lの長手方向周りの膝関節部190Lの回転角度として、左大腿部角度信号LScによって示される回転角度を取得し、左大腿部ねじり角度Lθcとして認識する。制御部251は、左膝関節角度信号LSdによって示されるモータ201Lの回転角度と減速機202Lの減速比とに基づいて、膝関節軸191L周りの脛部210Lの回転角度を左膝回転角度Lθdとして算出する。制御部251は、左足首関節角度信号LSeによって示されるモータ231Lの出力軸の回転角度と減速機232Lの減速比とに基づいて、足首関節軸221L周りの足載置部240Lの回転角度を左足首角度Lθeとして算出する。
The control unit 251 acquires the rotation angle indicated by the left thigh angle signal LSC as the rotation angle of the knee
制御部251は、足底板243Lの足底リンク部242の回転軸周りの回転角度として、左足底角度信号LSfによって示される回転角度を取得し、左足底角度Lθfとして認識する。
The control unit 251 acquires the rotation angle indicated by the left sole angle signal LSf as the rotation angle around the rotation axis of the
制御部251は、右第1股関節角度信号RSaによって示されるモータ151Rの出力軸の回転角度と減速機152Rの減速比とに基づいて、第1股関節軸141R周りの第2股関節部160Rの回転角度を右第1股関節角度Rθaとして算出する。制御部251は、右第2股関節角度信号RSbによって示されるモータ171Rの出力軸の回転角度と減速機172Rの減速比とに基づいて、第2股関節軸161R周りの大腿部180Rの回転角度を右第2股関節角度Rθbとして算出する。
Based on the rotation angle of the output shaft of the
制御部251は、回転連結部181Rにおける大腿部180Rの長手方向周りの膝関節部190Rの回転角度として、右大腿部角度信号RScによって示される回転角度を取得し、右大腿部ねじり角度Rθcとして認識する。制御部251は、右膝関節角度信号RSdによって示されるモータ201Rの回転角度と減速機202Rの減速比とに基づいて、膝関節軸191R周りの脛部210Rの回転角度を右膝回転角度Rθdとして算出する。制御部251は、右足首関節角度信号RSeによって示されるモータ231Rの出力軸の回転角度と減速機232Rの減速比とに基づいて、足載置部240Rの足首関節軸221R周りの回転角度を右足首角度Rθeとして算出する。
The control unit 251 acquires the rotation angle indicated by the right thigh angle signal RSc as the rotation angle of the knee joint portion 190R around the longitudinal direction of the
制御部251は、足底板243Rの足底リンク部242の回転軸周りの回転角度として、右足底角度信号RSfによって示される回転角度を取得し、右足底角度Rθfとして認識する。
The control unit 251 acquires the rotation angle indicated by the right sole angle signal RSf as the rotation angle around the rotation axis of the
制御部251は、脚リンク部120Rの各構成の回転角度と長さに基づいて、第1股関節軸141Rを基準とする前後方向、左右方向、及び上下方向の足載置部240Rの位置を幾何学的な手法を用いて算出する。制御部251は、脚リンク部120Lの各構成の回転角度と長さに基づいて、第1股関節軸141Lを基準とする前後方向、左右方向、及び上下方向の足載置部240Lの位置を幾何学的な手法を用いて算出する。
Based on the rotation angle and length of each component of the
制御部251は、足載置部240L及び足載置部240Rのそれぞれの位置と、支持脚リンク部及び遊脚リンク部の特定結果に基づいて、足載置部240L及び足載置部240Rのそれぞれの前後方向の移動量を制御する。
The control unit 251 determines the positions of the foot placement unit 240L and the
図12に示されるように、制御部251は、第1股関節軸141L及び第1股関節軸141Rの前後方向の位置を股関節軸位置とする。
図12(a)に示されるように、制御部251は、支持脚リンク部に対応する足載置部が股関節軸位置よりも前方に位置し、且つ遊脚リンク部に対応する足載置部が股関節軸位置から後方に位置すると判定する。制御部251は、この判定結果が肯定である場合において、利用者Pが支持脚の足を前後方向に移動させるとき、支持脚リンク部に対応する足載置部の前後方向の移動量を遊脚リンク部の足載置部の前後方向の移動量の2倍にする。
As illustrated in FIG. 12, the control unit 251 sets the positions of the first hip
As shown in FIG. 12A, the control unit 251 includes a foot placement unit corresponding to the free leg link unit, in which the foot placement unit corresponding to the support leg link unit is located in front of the hip joint axis position. Is determined to be located rearward from the hip joint axis position. When the determination result is affirmative, when the user P moves the foot of the support leg in the front-rear direction, the control unit 251 controls the amount of movement in the front-rear direction of the footrest unit corresponding to the support leg link unit. Double the amount of movement in the front-rear direction of the foot placement part of the leg link part.
図12(b)に示されるように、制御部251は、支持脚リンク部に対応する足載置部が股関節軸位置から後方に位置し、且つ遊脚リンク部に対応する足載置部が股関節軸位置よりも前方に位置すると判定する。制御部251は、この判定結果が肯定である場合において、利用者Pが遊脚の足を前後方向に移動させるとき、遊脚リンク部に対応する足載置部の前後方向の移動量を支持脚リンク部の足載置部の前後方向の移動量の2倍にする。 As shown in FIG. 12 (b), the control unit 251 includes a foot placement unit corresponding to the support leg link unit located behind the hip joint axis position, and a foot placement unit corresponding to the free leg link unit. It is determined that the position is ahead of the hip joint axis position. When the determination result is affirmative, the control unit 251 supports the amount of movement in the front-rear direction of the footrest unit corresponding to the free leg link unit when the user P moves the foot of the free leg in the front-rear direction. Double the amount of movement in the front-rear direction of the foot placement part of the leg link part.
図13は、図8の下肢動作支援装置の支持脚リンク部の足載置部と体装着部との位置関係を示す正面図である。
図13を参照して、制御部251が、第1股関節駆動用アクチュエータユニット150L及び第1股関節駆動用アクチュエータユニット150Rを制御する動作を上記第三の制御動作として説明する。
FIG. 13 is a front view showing the positional relationship between the foot placement portion and the body mounting portion of the support leg link portion of the lower limb motion support device of FIG. 8.
With reference to FIG. 13, an operation in which the control unit 251 controls the first hip joint driving
図13に示されるように、制御部251は、脚リンク部120Lを支持脚リンク部として特定しているとき、左第1股関節角度Lθaと左足底角度Lθfとに基づいて、足底板243Lと、体装着部110とが、下肢動作支援装置101の前方からの正面視において平行になるように、モータ151Lを制御する。
As shown in FIG. 13, when the control unit 251 specifies the
同様に、制御部251は、脚リンク部120Rを支持脚リンク部として特定しているとき、右第1股関節角度Rθaと右足底角度Rθfとに基づいて、足底板243Rと、体装着部110とが、下肢動作支援装置101の前方からの正面視において平行になるように、モータ151Rを制御する。
Similarly, when the
制御部251が、下肢動作支援装置101の上下方向の力を制御する動作を上記第四の制御動作として説明する。
制御部251は、脚リンク部120Lを支持脚リンク部として特定しているとき、左第3力信号LSzによって示される力が大きくなるのに従って、下肢動作支援装置101の上方向の力が大きくなるように、モータ151L、モータ171L、モータ201L、及びモータ231Lを制御する。
An operation in which the control unit 251 controls the vertical force of the lower limb motion support apparatus 101 will be described as the fourth control operation.
When the control unit 251 specifies the
制御部251は、脚リンク部120Rを支持脚リンク部として特定しているとき、右第3力信号RSzによって示される力が大きくなるのに従って、下肢動作支援装置101の上方向の力が大きくなるように、モータ151R、モータ171R、モータ201R、及びモータ231Rを制御する。
When the control unit 251 specifies the
下肢動作支援装置101による効果を説明する。
下肢動作支援装置101は、第1股関節駆動用アクチュエータユニット150L及び第2股関節駆動用アクチュエータユニット150Lを第1股関節部140Lに備える。また、下肢動作支援装置101は、第1股関節駆動用アクチュエータユニット150R及び第2股関節駆動用アクチュエータユニット150Rを第1股関節部140Rに備える。
これにより、下肢動作支援装置101は、この下肢動作支援装置101の股関節部130L及び股関節部130Rのそれぞれにおいて前後方向周りのトルクを付与することができ、下肢動作支援装置1と比較してより高いアシスト効果を奏することができる。
The effects of the lower limb motion support apparatus 101 will be described.
The lower limb motion support apparatus 101 includes a first hip joint driving
Accordingly, the lower limb motion support device 101 can apply torque in the front-rear direction at each of the hip joint portion 130L and the hip joint portion 130R of the lower limb motion support device 101, which is higher than the lower limb
下肢動作支援装置101は、力センサ244L及び力センサ244Rを備える。そして、制御部251は、これらの力センサから出力される左第3力信号LSz、左第2トルク信号LSβ、右第3力信号RSz、及び右第2トルク信号RSβに基づいて、支持脚リンク部及び遊脚リンク部を特定する。制御部251は、支持脚リンク部及び遊脚リンク部に応じた異なる制御動作を実行する。
これにより、下肢動作支援装置101は、下肢動作支援装置1と比較してよりきめ細やかなアシスト動作を行うことができる。
The lower limb motion support apparatus 101 includes a force sensor 244L and a
Accordingly, the lower limb motion support device 101 can perform a finer assist operation than the lower limb
制御部251は、支持脚リンク部に対応する力センサに対する上下方向の力が大きくなるのに従って、支持脚リンク部によって生ずる上方向の力が大きくなるように各モータを制御する。
これにより、下肢動作支援装置101は、全ての重量がかかる支持脚に対応する支持脚リンク部によって発生する上方向の力をより大きくして利用者Pの支持脚にかかる負担を軽減することができる。
The control unit 251 controls each motor so that the upward force generated by the support leg link unit increases as the vertical force on the force sensor corresponding to the support leg link unit increases.
As a result, the lower limb motion support device 101 can reduce the burden on the support leg of the user P by increasing the upward force generated by the support leg link unit corresponding to the support leg on which all weight is applied. it can.
制御部251は、支持脚リンク部に対応する足底板と体装着部110とが、下肢動作支援装置101の正面視において平行になるように各モータを制御する。
これにより、利用者Pが遊脚を浮かせている状態であって、この利用者Pと下肢動作支援装置101の重量を支持脚のみで支持しているときに、これらの重量に起因する支持脚への負荷をより軽減することができる。
The control unit 251 controls each motor so that the sole plate corresponding to the support leg link unit and the body mounting unit 110 are parallel in the front view of the lower limb movement support device 101.
Accordingly, when the user P is in a state where the free leg is floating and the weight of the user P and the lower limb motion support device 101 is supported only by the support leg, the support leg resulting from these weights is supported. The load on can be further reduced.
制御部251は、支持脚リンク部に対応する足載置部と股関節軸位置との前後方向の位置関係に応じて、利用者Pが支持脚の足を前後方向に移動させるときの支持脚リンク部に対応する足載置部の前後方向の移動量を変化させる。
これにより、下肢動作支援装置101は、この下肢動作支援装置101を装着した利用者Pの前後方向への移動をより効果的にアシストできる。
The control unit 251 supports the support leg link when the user P moves the leg of the support leg in the front-rear direction according to the positional relationship in the front-rear direction between the foot placement unit corresponding to the support leg link unit and the hip joint axis position. The amount of movement in the front-rear direction of the footrest corresponding to the part is changed.
Thereby, the lower limb motion support device 101 can more effectively assist the movement of the user P wearing the lower limb motion support device 101 in the front-rear direction.
以上述べたように、本発明によれば、利用者への装着を簡易にすると共に、利用者の自由度を向上させると共に、利用者が膝関節を曲げた状態等の前傾姿勢での屈伸作業においても安定して利用者を支えられる下肢動作支援装置を提供できる。さらに、利用者の望む方向及び力で動作支援を行うことができるという格別な効果を奏することができる。 As described above, according to the present invention, the user can easily wear it, improve the flexibility of the user, and bend and stretch in a forward leaning posture such as when the user bends the knee joint. It is possible to provide a lower limb motion support device that can stably support a user during work. Furthermore, it is possible to obtain a special effect that the operation support can be performed in the direction and force desired by the user.
1 下肢動作支援装置
2 カバー部材
10 体装着部
11 体部
12 背当板
13L,13R 大腿関節部
14,15,16L,16R 固定ベルト
17 懸架部
18L,18R 第1股関節軸
19L,19R 第2股関節軸
20,20L,20R 脚リンク部
30L,30R 大腿リンク部
31L,31R 股関節部
32L,32R 膝関節部
33L,33R 膝関節駆動軸
40L,40R 下腿リンク部
41L,41R 足首関節部
50,50L,50R 足載置部
51L,51R 靴固定部
52L,52R 接地部
53,53L,53R 力センサ
57L,57R 補強プレート
60L,60R 股関節駆動用アクチュエータユニット
61,61L,61R 膝関節駆動用アクチュエータユニット
62,62L,62R 足首関節駆動用アクチュエータユニット
101 下肢動作支援装置
110 体装着部
111 本体部
112 背当板
113 上部固定ベルト
114 中部固定ベルト
115 下部固定ベルト
120L,120R 脚リンク部
130L,130R 股関節部
140L,140R 第1股関節部
141L,141R 第1股関節軸
150L,150R 第1股関節駆動用アクチュエータユニット
151L,151R モータ
152L,152R 減速機
153L,153R 駆動用プーリー
154L,154R 被駆動用プーリー
155L,155R タイミングベルト
156L,156R ロータリーエンコーダ
160L,160R 第2股関節部
161L,161R 第2股関節軸
170L,170R 第2股関節駆動用アクチュエータユニット
171L,171R モータ
172L,172R 減速機
173L,173R 駆動用プーリー
174L,174R 被駆動用プーリー
175L,175R タイミングベルト
176L,176R ロータリーエンコーダ
180L,180R 大腿部
181L,181R 回転連結部
182L,182R ロータリーエンコーダ
190L,190R 膝関節部
191L,191R 膝関節軸
200L,200R 膝関節駆動用アクチュエータユニット
201L,201R モータ
202L,202R 減速機
203L,203R 駆動用プーリー
204L,204R 被駆動用プーリー
205L,205R タイミングベルト
206L,206R ロータリーエンコーダ
210L,210R 脛部
220L,220R 足首関節部
221L,221R 足首関節軸
230L,230R 足首関節駆動用アクチュエータユニット
231L,231R モータ
232L,232R 減速機
233L,233R 駆動用プーリー
234L,234R 被駆動用プーリー
235L,235R タイミングベルト
236L,236R ロータリーエンコーダ
240L,240R 足載置部
241L,241R 足首リンク部
242L,242R 足底リンク部
243L,243R 足底板
244L,244R 力センサ
245L,245R 靴連結部
246L,246R ロータリーエンコーダ
250 バックパック
251 制御部
252 記憶装置
253 電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower limb movement support apparatus 2 Cover member 10 Body mounting part 11 Body part 12 Back plate 13L, 13R Thigh joint part 14, 15, 16L, 16R Fixed belt 17 Suspension part 18L, 18R First hip joint axis 19L, 19R Second hip joint Axis 20, 20L, 20R Leg link part 30L, 30R Thigh link part 31L, 31R Hip joint part 32L, 32R Knee joint part 33L, 33R Knee joint drive shaft 40L, 40R Lower leg link part 41L, 41R Ankle joint part 50, 50L, 50R Foot placement part 51L, 51R Shoe fixing part 52L, 52R Grounding part 53, 53L, 53R Force sensor 57L, 57R Reinforcement plate 60L, 60R Hip joint drive actuator unit 61, 61L, 61R Knee joint drive actuator unit 62, 62L, 62R Ankle joint actuator actuator Knit 101 Lower limb movement support device 110 Body mounting part 111 Main body part 112 Back plate 113 Upper fixing belt 114 Middle fixing belt 115 Lower fixing belt 120L, 120R Leg link part 130L, 130R Hip joint part 140L, 140R First hip joint part 141L, 141R First hip joint shaft 150L, 150R First hip joint drive actuator unit 151L, 151R Motor 152L, 152R Reducer 153L, 153R Drive pulley 154L, 154R Driven pulley 155L, 155R Timing belt 156L, 156R Rotary encoder 160L, 160R Two hip joint parts 161L, 161R Second hip joint axis 170L, 170R Second hip joint drive actuator unit 171L, 171R Motor 172L, 17 R Reducer 173L, 173R Drive pulley 174L, 174R Driven pulley 175L, 175R Timing belt 176L, 176R Rotary encoder 180L, 180R Thigh 181L, 181R Rotation coupling part 182L, 182R Rotary encoder 190L, 190L Knee joint part 19L , 191R Knee joint axis 200L, 200R Knee joint drive actuator unit 201L, 201R Motor 202L, 202R Reducer 203L, 203R Drive pulley 204L, 204R Driven pulley 205L, 205R Timing belt 206L, 206R Rotary encoder 210L, 210R Part 220L, 220R ankle joint part 221L, 221R ankle joint axis 230L, 230R ankle joint drive a Cutout unit 231L, 231R Motor 232L, 232R Reducer 233L, 233R Drive pulley 234L, 234R Driven pulley 235L, 235R Timing belt 236L, 236R Rotary encoder 240L, 240R Foot placement part 241L, 241R Ankle link part 242L Sole link part 243L, 243R Sole plate 244L, 244R Force sensor 245L, 245R Shoe coupling part 246L, 246R Rotary encoder 250 Backpack 251 Control part 252 Storage device 253 Power supply
Claims (10)
前記利用者の大腿及び下腿に沿って設けられ、前記利用者の大腿及び下腿について非拘束状態となるように前記体装着部に連結され、前記利用者の膝関節による屈伸に対応して屈伸可能に構成された膝関節部を有する脚リンク部と、
前記脚リンク部と連結する足首関節部を有して、前記利用者の足を載置固定すると共に、前記利用者の足を載置する面と反対側の裏面で接地している足載置部であって、前記利用者の足を載置する面と地面との間に設けられ、前記利用者の足の動作の方向及び力量を含む動作信号を出力する力センサを有する足載置部と、
前記膝関節部に回転トルクを付与する膝関節駆動用アクチュエータユニットと、
前記足首関節部に回転トルクを付与する足首関節駆動用アクチュエータユニットと、
を備え、
前記体装着部は、前記利用者の膝関節による屈伸の前後にわたって前記利用者の体幹を固定して支持すると共に、
前記力センサで検出した接地面に作用する力に応じた反力によって、前記膝関節駆動用アクチュエータユニットと、前記足首関節駆動用アクチュエータユニットと、を制御すると共に、
前記脚リンク部は、
前記利用者の股関節の回転に対応して回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する股関節部と、
前記股関節部に回転トルクを付与する股関節駆動用アクチュエータユニットと、を含み、
前記股関節部は、
前記利用者の股関節の前後方向周りに回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する第1股関節部と、
前記利用者の股関節の左右方向周りに回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する第2股関節部と、を含み、
前記股関節駆動用アクチュエータユニットは、
前記第1股関節部に回転トルクを付与する第1股関節駆動用アクチュエータユニットと、
前記第2股関節部に回転トルクを付与する第2股関節駆動用アクチュエータユニットと、を含み、
前記股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを少なくとも前記動作信号に基づき制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記利用者の支持脚に対応する前記脚リンク部と、前記利用者の遊脚に対応する前記脚リンク部とを、前記動作信号に基づいてそれぞれ制御する、
下肢動作支援装置。 A body attachment part fixedly attached to the user's trunk;
Provided along the user's thigh and lower leg, connected to the body mounting portion so that the user's thigh and lower leg are in an unconstrained state, and can bend and stretch in response to bending and stretching by the user's knee joint A leg link part having a knee joint part constituted by:
A footrest that has an ankle joint that is connected to the leg link portion, places and fixes the user's foot, and is grounded on the back surface opposite to the surface on which the user's foot is placed. A foot placement portion having a force sensor provided between a surface on which the user's foot is placed and the ground and outputting an operation signal including a direction and a force level of the motion of the user's foot When,
An actuator unit for driving the knee joint for applying rotational torque to the knee joint;
An ankle joint drive actuator unit for applying rotational torque to the ankle joint,
With
The body mounting portion fixes and supports the user's trunk before and after bending and stretching by the user's knee joint,
The reaction force corresponding to the force acting on the ground surface that is detected by the force sensor, and the knee joint driving actuator unit controls the, and the ankle joint driving actuator unit,
The leg link part is
A hip joint part that connects the body mounting part and the leg link part so as to be rotatable in response to the rotation of the hip joint of the user;
A hip joint drive actuator unit that applies rotational torque to the hip joint portion, and
The hip joint is
A first hip joint portion that connects the body mounting portion and the leg link portion so as to be rotatable around the user's hip joint in the front-rear direction;
A second hip joint portion that connects the body mounting portion and the leg link portion so as to be rotatable around the left and right directions of the hip joint of the user;
The hip joint actuator unit is:
A first hip joint driving actuator unit for applying a rotational torque to the first hip joint portion;
An actuator unit for driving the second hip joint that applies rotational torque to the second hip joint part,
A control unit for controlling the hip joint drive actuator unit, the knee joint drive actuator unit, and the ankle joint drive actuator unit based on at least the operation signal;
The control unit controls the leg link unit corresponding to the support leg of the user and the leg link unit corresponding to the swing leg of the user based on the operation signal, respectively.
Lower limb movement support device.
前記動作予測部の判断結果に基づいて、前記利用者が行なう動作に沿った形状に前記脚リンク部を駆動させるように前記膝関節駆動用アクチュエータユニット及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットをそれぞれ動作させるアクチュエータ作動部と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の下肢動作支援装置。 An operation prediction unit that predicts the operation of the user based on the operation signal output from the force sensor;
Based on the determination result of the motion prediction unit, the knee joint drive actuator unit and the ankle joint drive actuator unit are respectively operated so as to drive the leg link unit in a shape according to the motion performed by the user. An actuator operating part;
The lower limb motion support device according to claim 1, further comprising:
前記動作予測部は、前記位置検出部から出力された前記位置信号に基づいて、前記利用者の動作を予測することを特徴とする、請求項3に記載の下肢動作支援装置。 Furthermore, a position detection unit that detects a relative position of the leg link unit and the foot placement unit and outputs a position signal is provided,
The lower limb motion support device according to claim 3, wherein the motion prediction unit predicts the user's motion based on the position signal output from the position detection unit.
前記アクチュエータ作動部は、特定された前記膝関節部と前記足首関節部について、前記第1信号が示す方向へ前記足載置部を移動させるように前記膝関節駆動用アクチュエータユニット及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを動作させることを特徴とする、請求項5に記載の下肢動作支援装置。 The motion prediction unit predicts the motion of the user based on the second signal and the position signal, and specifies a knee joint portion and an ankle joint portion to be driven based on the prediction,
The actuator actuating unit includes the knee joint driving actuator unit and the ankle joint driving so as to move the foot placing unit in the direction indicated by the first signal for the identified knee joint and the ankle joint. 6. The lower limb movement support device according to claim 5, wherein the actuator unit is operated.
前記力センサの下方向に所定値以上の力が加えられる、又は当該力センサの左右方向周りに所定値以上のトルクが加えられたことを前記動作信号に基づいて認識したとき、当該動作信号を出力した前記力センサに対応する前記脚リンク部を、前記利用者の支持脚に対応する支持脚リンク部として特定し、前記力センサに対する下方向の力が所定値未満となったことを前記動作信号に基づいて認識したとき、当該動作信号を出力した前記力センサに対応する前記脚リンク部を、前記利用者の遊脚に対応する遊脚リンク部として特定する、請求項1に記載の下肢動作支援装置。 The controller is
When it is recognized based on the operation signal that a force of a predetermined value or more is applied in the downward direction of the force sensor or a torque of a predetermined value or more is applied around the left and right direction of the force sensor, the operation signal is The leg link portion corresponding to the output force sensor is specified as a support leg link portion corresponding to the support leg of the user, and the action that the downward force on the force sensor is less than a predetermined value when it recognizes on the basis of the signal, the leg link part corresponding to the force sensor which outputs the operation signal is specified as the free leg link part corresponding to the free leg of the user, the lower leg according to claim 1 Operation support device.
前記力センサの下方向にかかる力が大きくなるのにしたがって前記下肢動作支援装置を装着し直立状態で正面を向いた利用者の上下方向のうちの上方向の力が大きくなるように、当該支持脚リンク部の前記第2股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御し、前記遊脚リンク部の前記足載置部が、当該足載置部に固定された前記利用者の足の動きに追従するように、当該遊脚リンク部の前記股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御する、請求項7に記載の下肢動作支援装置。 The controller is
As the force applied in the downward direction of the force sensor increases, the support force is applied so that the upward force in the vertical direction of the user wearing the lower limb motion support device and facing the front in an upright state increases. The second hip joint driving actuator unit, the knee joint driving actuator unit, and the ankle joint driving actuator unit of the leg link unit are controlled, and the foot mounting unit of the free leg link unit is configured to support the foot mounting. The hip joint driving actuator unit, the knee joint driving actuator unit, and the ankle joint driving actuator unit of the free leg link unit are controlled so as to follow the movement of the user's foot fixed to the unit. The lower limb motion support device according to claim 7 .
前記支持脚リンク部の前記足載置部の底面と前記体装着部の左右の前記脚リンク部を結ぶ面とが互いに平行になるように、前記支持脚リンク部の前記第1股関節駆動用アクチュエータユニットを制御する、請求項8に記載の下肢動作支援装置。 The controller is
The first hip joint drive actuator of the support leg link portion so that a bottom surface of the foot placement portion of the support leg link portion and a surface connecting the left and right leg link portions of the body mounting portion are parallel to each other The lower limb movement support device according to claim 8 , which controls the unit.
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