JP6550877B2 - Leg strength support device - Google Patents
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Description
本発明は、周期的な揺動運動をしてユーザの歩行または走行を支援する脚力支援装置に関する。 The present invention relates to a leg support device that supports a user's walking or running by performing a periodic rocking motion.
周期的な揺動運動をする関節を制御する装置の例として、例えば特許文献1には、ユーザ(利用者)の下肢(股関節から足先まで)に補助力を与える歩行補助装置が開示されている。当該歩行補助装置は、ユーザの腰部を巻回するように装着される腰部装具と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる連結バーと、ひざ関節の側方からふくらはぎへと延びる下腿部装具と、連結バーにおける股関節の側方の位置に取り付けられた股関節アクチュエータと、連結バーにおけるひざ関節の側方の位置に取り付けられたひざ関節アクチュエータと、を有している。そして股関節アクチュエータは、腰部装具の連結部に取り付けられ、股関節の側方にて、腰部装具に対して股関節回りに連結バーを前後に揺動する。また、ひざ関節アクチュエータは、ひざ関節の側方にて、連結バーに対してひざ関節回りに下腿部装具を前後に揺動する。また股関節アクチュエータとひざ関節アクチュエータは電動モータであり、当該電動モータへの電力は、腰部装具に取り付けられたバッテリから供給されている。
As an example of a device that controls a joint that performs periodic rocking motion, for example,
また特許文献2には、ユーザの下腿(ひざから足首まで)の揺動運動を支援する歩行リハビリ装置が開示されている。当該歩行リハビリ装置は、ユーザの腰周りに配置されるコントローラと、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンクと、ひざ関節の両側方のそれぞれから足首関節へと延びる下腿リンクと、ひざ関節の側方に配置されたモータと、足首関節から足裏へと延びる足リンクと、を有している。そしてモータは、大腿リンクと下腿リンクとの連結部であってひざ関節の側方に取り付けられ、ひざ関節の側方にて、大腿リンクに対してひざ関節回りに下腿リンクを前後に揺動する。またモータへの電力は、コントローラに内蔵されたバッテリから供給されている。
また特許文献3には、一方の脚が健脚で他方の脚が患脚であるユーザの患脚に装着されて、患脚の揺動運動を支援する片脚式歩行支援機が開示されている。当該片脚式歩行支援機は、ユーザの腰の側方に配置される腰装着部と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンク部と、ひざ関節の側方から下方へと延びる下腿リンク部と、股関節の側方に配置されたトルク発生装置と、ひざ関節の側方に配置されたダンパーと、を有している。そしてトルク発生装置は、カムと圧縮バネによって構成され、健脚の振り出しによって患脚が後方に揺動した際にトルクを発生させ、発生したトルクを用いて患脚の振り出しを支援しており、電動モータ等のアクチュエータを必要としていない。また、圧縮バネの初期圧縮量を調整可能に構成されており、発生トルクの大きさを可変としている。
特許文献1に記載された歩行補助装置、及び特許文献2に記載された歩行リハビリ装置は、どちらも電動モータを用いて下肢または下肢の一部、の歩行動作を支援しているが、バッテリからの電力の供給が続かなければ支援することができない。また、歩行の支援が必要なユーザに、大きくて重いバッテリを持たせるわけにはいかないので、比較的小さく軽量のバッテリが用いられると推定される。また、特許文献1及び特許文献2には、電動モータの消費電力を軽減させるような特別な構成は示されていない。従って、特許文献1及び特許文献2に記載の支援装置は、連続動作時間が比較的短いと推定される。
The walking assist device described in
また、特許文献3に記載の片脚式歩行支援機は、電動モータを用いることなく、カムと圧縮バネにて脚を振り出すためのトルクを発生させており、連続動作時間は特許文献1及び特許文献2よりも長い。しかし、ユーザ毎の体格の違い(下肢の慣性モーメントの違い)や、ユーザ毎の下肢の揺動角度の違いや、ユーザの体調や、歩行場所の傾斜の違い等に対して、トルク発生装置の圧縮バネの上部に設けられた決定部の位置をマイナスドライバ等の工具で調整し、圧縮バネの初期圧縮量をユーザが手動で調整しなければならないので手間がかかる。
Further, the single-legged walking support device described in
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、揺動運動する関節の剛性を自動的に調整することで揺動運動によって発生するトルクを自動的に調整し、消費電力あるいはユーザの負荷をより低減することができる、脚力支援装置を提供することを課題とする。 The present invention has been devised in view of such points, and automatically adjusts the torque generated by the swing motion by automatically adjusting the rigidity of the swinging joint, thereby reducing power consumption or power consumption. It is an object of the present invention to provide a leg support device that can further reduce a user's load.
上記課題を解決するため、本発明に係る脚力支援装置は、次の手段をとる。まず、本発明の第1の発明は、利用者の下肢の運動に補助力を与える脚力支援装置であって、前記利用者の腰側部に装着される腰側装着部と、前記利用者の大腿の側方に配置された第1揺動アームであって、上部に当該第1揺動アームの揺動の軸となる凹形状あるいは凸形状が形成された長手状の前記第1揺動アームと、前記第1揺動アームに取り付けられて前記利用者の大腿にあてがわれる大腿装着部と、前記第1揺動アームの前記揺動の軸となる凹形状あるいは凸形状を支持する駆動軸部材であって、前記腰側装着部に対して前記第1揺動アームを前記利用者の前後方向に揺動自在に支持する前記駆動軸部材と、前記駆動軸部材の軸である駆動軸回りに揺動する前記第1揺動アームを揺動させるために必要とする力である剛性を可変とする剛性可変手段と、前記剛性可変手段を制御することで、前記駆動軸回りに揺動する前記第1揺動アームにおける前記剛性を制御する制御手段と、を備える。そして、前記剛性可変手段は、ゼンマイバネと、バネ固定部材と、剛性調整旋回手段と、にて構成され、前記ゼンマイバネと前記バネ固定部材と前記剛性調整旋回手段は、前記駆動軸と同軸となるように配置されており、前記ゼンマイバネに隣接する位置には、前記ゼンマイバネの固定端を支持するバネ固定部材が配置されている。また、前記ゼンマイバネの一方端である自由端は、前記第1揺動アームの揺動角度である第1揺動角度に応じた角度で揺動するバネ入力軸部材に接続されており、前記ゼンマイバネの他方端である前記固定端は、前記バネ固定部材における前記駆動軸から離れた位置に設けられたバネ支持体に接続されており、前記剛性調整旋回手段は、前記制御手段からの制御信号に基づいて、前記バネ固定部材を前記駆動軸回りに旋回させて、前記ゼンマイバネの前記固定端の位置を移動させることで、前記剛性を調整する。 In order to solve the above problems, the leg force assisting apparatus according to the present invention takes the following means. First, a first invention of the present invention is a leg strength support device for giving an assisting force to the exercise of the leg of a user, the waist side attachment part attached to the waist side of the user, and the user A first oscillating arm disposed on the side of the thigh, the first oscillating arm having a concave shape or a convex shape as an axis of oscillation of the first oscillating arm on the upper part. A thigh attachment portion attached to the first swing arm and applied to the user's thigh, and a drive shaft supporting a concave or convex shape serving as a pivot of the first swing arm A driving shaft member rotatably supporting the first swinging arm in the front-rear direction of the user with respect to the waist side mounting portion; and a drive shaft which is a shaft of the drive shaft member The stiffness, which is the force required to swing the first swing arm that swings It comprises a rigidity changing means, by controlling the rigidity changing means, and control means for controlling the stiffness of the first swing arm that swings to the drive axis, a. And, the rigidity variable means is constituted by a spring spring, a spring fixing member, and a stiffness adjustment turning means, and the spring spring, the spring fixing member and the stiffness adjustment turning means are coaxial with the drive shaft. A spring fixing member for supporting the fixed end of the spiral spring is arranged at a position adjacent to the spiral spring. Further, a free end which is one end of the spiral spring is connected to a spring input shaft member which swings at an angle corresponding to a first swing angle which is a swing angle of the first swing arm, and the spring spring The other end of the fixed end is connected to a spring support provided at a position away from the drive shaft in the spring fixing member, and the stiffness adjusting swiveling means is connected to a control signal from the control means. The rigidity is adjusted by pivoting the spring fixing member around the drive shaft to move the position of the fixed end of the spiral spring.
次に、本発明の第2の発明は、上記第1の発明に係る脚力支援装置であって、前記第1揺動アームと前記ゼンマイバネとの間には変速機が設けられており、前記変速機は、前記第1揺動アームが前記第1揺動角度で揺動すると所定の変速比で変速した変速後揺動角度で揺動する前記バネ入力軸部材を有している。 Next, a second invention of the present invention is the leg force assist device according to the first invention, wherein a transmission is provided between the first swing arm and the mainspring spring, and The machine has the spring input shaft member that swings at a post-shift swing angle that is shifted at a predetermined speed ratio when the first swing arm swings at the first swing angle.
次に、本発明の第3の発明は、上記第1の発明または第2の発明に係る脚力支援装置であって、前記第1揺動アームの前記第1揺動角度を検出する第1角度検出手段を備え、前記制御手段は、前記第1角度検出手段にて検出した前記第1揺動角度に応じて、前記剛性調整旋回手段を制御して前記バネ固定部材の旋回角度を調整して、前記第1揺動アームから見た前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数を調整することで前記剛性を調整する。 Next, a third invention of the present invention is the leg force assisting device according to the first invention or the second invention, wherein the first angle for detecting the first swing angle of the first swing arm. A detection unit, and the control unit controls the rigidity adjusting and pivoting unit to adjust the pivoting angle of the spring fixing member according to the first pivoting angle detected by the first angle detecting unit. The rigidity is adjusted by adjusting an apparent spring constant of the main spring as viewed from the first swing arm.
次に、本発明の第4の発明は、上記第3の発明に係る脚力支援装置であって、前記制御手段は、前記駆動軸回りの前記第1揺動アームの揺動周波数及び前記第1揺動角度と、前記第1揺動アームを含む揺動対象物における前記駆動軸回りの慣性モーメントと、前記ゼンマイバネのバネ定数と、に基づいて、前記ゼンマイバネの共振周波数が、前記揺動対象物の前記揺動周波数と一致するように前記バネ固定部材の旋回角度を調整する。 Next, a fourth invention of the present invention is the leg force assisting device according to the third invention, wherein the control means includes the first oscillation arm and the first oscillation arm around the drive shaft. The resonance frequency of the spring is based on the swing angle, the moment of inertia about the drive shaft of the swing target including the first swing arm, and the spring constant of the spring. The swing angle of the spring fixing member is adjusted to coincide with the swing frequency of.
次に、本発明の第5の発明は、上記第1の発明〜第4の発明のいずれか1つに係る脚力支援装置であって、前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第1揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる第1駆動手段を有している。 Next, a fifth aspect of the present invention is the leg force assisting apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the first swing is based on a control signal from the control means. It has a first drive means for swinging the movable arm about the drive shaft.
次に、本発明の第6の発明は、上記第1の発明〜第5の発明のいずれか1つに係る脚力支援装置であって、前記駆動軸回りに揺動自在に支持された第2揺動アームと、前記第2揺動アームの揺動角度である第2揺動角度を検出する第2角度検出手段と、前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第2揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる第2駆動手段と、前記第1揺動アームと前記第2揺動アームとに接続されて前記第1揺動アームの前記第1揺動角度と前記第2揺動アームの前記第2揺動角度とに基づいて動作する揺動リンク部材と、前記第2揺動アームに取り付けられて前記利用者の下腿にあてがわれる下腿装着部と、を有している。 Next, according to a sixth aspect of the present invention, there is provided a leg force assisting device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the second aspect of the present invention is supported swingably around the drive shaft. The second swing arm is configured based on a control signal from the control means and a second angle detection means for detecting a second swing angle which is a swing angle of the second swing arm. The first swing angle and the second swing of the first swing arm are connected to a second drive unit that swings around the drive shaft, and connected to the first swing arm and the second swing arm. A swing link member that operates based on the second swing angle of the arm, and a lower leg mounting portion that is attached to the second swing arm and applied to the lower leg of the user.
第1の発明によれば、制御手段を用いて剛性可変手段を制御して、駆動軸部材回りの剛性(第1揺動アームを揺動させるために必要とする力)を制御することで、第1揺動アームを含む揺動対象物による揺動運動に対して、揺動運動を支援するために必要なトルクの大きさを自動的に調整するので、手間なくトルクを調整することができる。また、揺動運動を支援するために必要なトルクを発生させているので、消費電力あるいはユーザの負荷をより低減することができる。また剛性可変手段を具体的に実現することができる。 According to the first aspect of the invention, the rigidity variable means is controlled using the control means to control the rigidity around the drive shaft member (force required to swing the first swing arm). Since the magnitude of the torque necessary to support the swing motion is automatically adjusted with respect to the swing motion by the swing target object including the first swing arm, the torque can be adjusted without any trouble. . In addition, since the torque necessary to support the swinging motion is generated, the power consumption or the load on the user can be further reduced. Further, the rigidity variable means can be specifically realized.
第2の発明によれば、変速機を用いることで、第1揺動アームの第1揺動角度を増幅した変速後揺動角度をゼンマイバネに入力することができるので、バネ定数がより小さなゼンマイバネを用いることが可能となる。従って、脚力支援装置の小型化を促進することができる。 According to the second invention, by using the transmission, the post-shift rocking angle obtained by amplifying the first rocking angle of the first rocking arm can be input to the spring, so the spring spring having a smaller spring constant. It is possible to use Accordingly, it is possible to promote downsizing of the leg strength support device.
第3の発明によれば、制御手段から剛性調整旋回手段を制御してバネ固定部材を旋回させるだけで、第1揺動アームから見たゼンマイバネの見かけ上バネ定数を調整できるので、容易に見かけ上バネ定数を調整することができる。 According to the third aspect of the invention, the apparent spring constant of the spring as viewed from the first swing arm can be adjusted simply by turning the spring fixing member by controlling the rigidity adjustment turning means from the control means, so that the appearance is easily seen. The upper spring constant can be adjusted.
第4の発明によれば、バネ固定部材の旋回角度を、第1揺動アームを含む揺動対象物に応じた適切な角度へと、制御手段を用いて自動的に調整することができる。従って、揺動運動する関節の剛性を自動的に調整することで発生トルクを自動的に調整することができる。また、仮に第1揺動アームを電動モータで揺動運動させたとしても、適切なトルクで揺動運動を支援することができるので、揺動用の電動モータの消費電力をより低減することができる。また、仮に揺動アームを電動モータで揺動させずにユーザ自身に揺動させる場合であっても、適切なトルクで揺動運動を支援することができるので、ユーザの負荷をより低減することができる。 According to the fourth invention, the turning angle of the spring fixing member can be automatically adjusted using the control means to an appropriate angle corresponding to the swing object including the first swing arm. Therefore, the generated torque can be automatically adjusted by automatically adjusting the rigidity of the joint that swings. In addition, even if the first swing arm is caused to swing by the electric motor, the swing motion can be supported with an appropriate torque, so that the power consumption of the swing electric motor can be further reduced. . Further, even if the user swings the swing arm by the electric motor without swinging the swing arm, the swing motion can be supported with an appropriate torque, so that the load on the user can be further reduced. Can do.
第5の発明によれば、第1揺動アームを第1駆動手段にて揺動させるので、ユーザの歩行または走行の際の負荷をより低減することができる。 According to the fifth invention, since the first swing arm is swung by the first drive means, it is possible to further reduce the load when the user walks or runs.
第6の発明によれば、第1揺動アームでユーザの大腿部の運動を支援し、第2揺動アームでユーザの下腿部を支援することができるので、ユーザの歩行または走行の際の負荷を、さらに低減することができる。 According to the sixth invention, the user's thigh movement can be supported by the first swing arm and the user's lower leg can be supported by the second swing arm. Load can be further reduced.
以下に本発明を実施するための形態である第1の実施の形態を、図面を用いて順に説明する。なお、各図においてX軸、Y軸、Z軸が記載されている場合、X軸とY軸とZ軸は互いに直交しており、Z軸方向は鉛直上向き方向を示し、X軸方向はユーザ(揺動関節装置を装着したユーザ)に対する前方向を示し、Y軸方向はユーザに対する左方向を示している。なお本明細書では、図1に示す「大腿揺動アーム13」が「第1揺動アーム」に相当し、「下腿揺動アーム33」が「第2揺動アーム」に相当している。また「回転角度検出手段11S」が「第1角度検出手段」に相当しており、「回転角度検出手段31S」が「第2角度検出手段」に相当している。また「電動モータ11」が「第1駆動手段」に相当しており、「電動モータ31」が「第2駆動手段」に相当し、「電動モータ21」が「剛性調整旋回手段」に相当している。また、以下の説明において、駆動軸部材6が凸状の部材である例を示しているが、駆動軸部材6は、凸形状の軸であってもよいし、軸を支持する凹形状(孔形状)であってもよい。従って、「駆動軸部材6回り」という記載は、「駆動軸部材6の中心軸である駆動軸6J回り」と同じことを示す。また、変速機25の「シャフト25A」は「バネ入力軸部材」に相当している。また、「バネ固定部材23」と「電動モータ21」は「見かけ上バネ定数可変手段」に相当している。また、「ゼンマイバネ24」と「バネ固定部材23」と「電動モータ21」は「剛性可変手段」に相当しており、「剛性」とは、大腿揺動アーム13を揺動させるために必要とする単位角度変位あたりのトルクを指す。また、「下腿中継アーム34」と「下腿アーム35」は「揺動リンク部材」に相当している。また、「ベース部2」は「腰側装着部」に相当し、「揺動関節装置1」は「脚力支援装置」に相当している。
A first embodiment, which is a mode for carrying out the present invention, will be described in order with reference to the drawings. When X, Y, and Z axes are described in each drawing, the X, Y, and Z axes are orthogonal to each other, the Z axis direction indicates the vertically upward direction, and the X axis direction is the user. The forward direction with respect to (the user wearing the rocking joint device) is shown, and the Y-axis direction shows the left direction with respect to the user. In the present specification, “
●●[第1の実施の形態の揺動関節装置1の全体構成(図1〜図4)]
第1の実施の形態の揺動関節装置1は、ユーザの片脚(第1の実施の形態では左脚)に取り付けられて、ユーザの歩行または走行等の動作を支援する。図1に示すように、揺動関節装置1は、符号2、3、4、5、6等にて示したユーザ装着部と、符号11、12、14、14B、15、13、19等にて示した大腿揺動部と、符号21、22、23、24、25等にて示した剛性調整部と、符号31、32、32P、32B、33、34、35、36、39等にて示した下腿揺動部と、にて構成されている。なお、図1は揺動関節装置1の各構成要素の形状と組み付け位置等を示す分解斜視図であり、各構成要素を組み付けた状態の揺動関節装置1を図2に示す。また図3は揺動関節装置1をユーザに装着した状態を説明しており、図4は大腿揺動アーム13及び下腿揺動アーム33の揺動の例を示している。
[● Overall Configuration of
The swing
●[ベース部2、腰装着部3、肩ベルト4、制御ユニット5、駆動軸部材6等にて構成されたユーザ装着部(図1〜図4)]
ベース部2は、腰装着部3に固定され、前記大腿揺動部、前記剛性調整部、前記下腿揺動部を保持するためのベース(基板)となる部材である。またベース部2には、揺動関節装置1を装着したユーザの股関節の側方に相当する位置に、Y軸にほぼ平行に延びる駆動軸部材6が取り付けられている。なお、駆動軸部材6は、後述する下腿揺動アーム33の貫通孔33Hに挿通された後、大腿揺動アーム13の貫通孔13Hに挿通される。なお駆動軸6Jは、駆動軸部材6の中心軸を示している。
[User wearing part (FIGS. 1 to 4) composed of
The
腰装着部3は、ユーザの腰に巻回されてユーザの腰に固定される部材であり、ユーザの腰周りの寸法に応じて調整可能に構成されている。また腰装着部3には、ベース部2が固定され、肩ベルト4の一方端と他方端が接続されている。
The
肩ベルト4は、一方端が腰装着部3の前面側に接続され、他方端が腰装着部3の背面側に接続され、長さを調節可能に構成されており、制御ユニット5が取り付けられている。ユーザは、肩ベルト4の長さを調節して自身の肩に肩ベルト4を装着することで、背中に制御ユニット5をバックパックやランドセルのように背負うことができる。
The
制御ユニット5は、電動モータ11、21、31を制御する制御手段と、当該制御手段及び電動モータ11、21、31への電力を供給するバッテリ等を収容している。なお制御手段については、図12を用いて後述する。
The
●[電動モータ11、ブラケット12、プーリ14、ベルト14B、プーリ15、大腿揺動アーム13、大腿装着部19等にて構成された大腿揺動部(図1〜図4)]
大腿揺動アーム13は、円板部13Gと、円板部13Gから下方に延びるアーム部にて構成されている。そして円板部13Gの中心には貫通孔13Hが形成されており、貫通孔13Hには駆動軸部材6が挿通される。従って、大腿揺動アーム13は、駆動軸部材6回りに揺動自在に支持される。また大腿揺動アーム13の貫通孔13Hは、ユーザの股関節の側方に相当する位置に配置され、大腿揺動アーム13の下端に設けられたリンク孔13Lは、ユーザのひざ関節の側方に相当する位置に配置される。なお、大腿揺動アーム13の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、ユーザは、自身のひざ関節の位置に応じて、リンク孔13Lの上下方向の位置を調整可能である。また大腿揺動アーム13には、大腿装着部19が取り付けられ、大腿装着部19は、ユーザの大腿部(ふとももの周囲)にあてがわれ、ユーザの大腿部へ大腿揺動アーム13を装着することを容易にする。また円板部13Gには、プーリ15が固定され、プーリ15は大腿揺動アーム13と一体となって揺動する。従って、プーリ15のプーリ軸部材15Jは、大腿揺動アーム13の揺動角度と同じ角度で、駆動軸6J回りに揺動する。そしてプーリ15と、後述するプーリ14と、の間にはベルト14Bがかけられており、電動モータ11による揺動動力が、プーリ14及びベルト14Bを介してプーリ15に伝達され、大腿揺動アーム13を揺動させる。
● [Thigh swinging portion (Figs. 1 to 4) configured by the
The
ブラケット12は、ベース部2に対して、電動モータ11を固定するための部材であり、電動モータ11の回転軸を挿通するための貫通孔12Hが設けられて、ベース部2に固定される。なお、ブラケット12の貫通孔12Hに電動モータ11の回転軸が挿通され、挿通された回転軸にプーリ14が取り付けられた後、ブラケット12がベース部2に固定される。
The
電動モータ11は、先端に減速機11Dが取り付けられ、減速機11Dはブラケット12の貫通孔12Hに挿通されてプーリ14に取り付けられている。また電動モータ11は、ブラケット12に固定されている。また電動モータ11には、制御ユニット5に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ11は、ブラケット12(すなわちベース部2)に対して、駆動軸部材6回りに大腿揺動アーム13を前後方向に揺動させることができる(図4参照)。また電動モータ11には、エンコーダ等の回転角度検出手段11Sが設けられている。回転角度検出手段11Sは電動モータ11のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段11Sからの検出信号と、減速機11Dの減速比と、プーリ14とプーリ15とのプーリ比と、に基づいて、減速機11Dの回転角度を検出可能であり、大腿揺動アーム13の揺動角度を検出することが可能である。なお、ブラケット22(図1参照)やベース部2に、ベース部2に対する大腿揺動アーム13の揺動角度を検出する角度検出手段(角度センサ)を設けるようにしてもよいし、ブラケット22やベース部2に、ベース部2に対する下腿揺動アーム33の揺動角度を検出する角度検出手段(角度センサ)を設けるようにしてもよい。なお、電動モータ11は空回り可能なモータであり、通電していない場合に大腿揺動アーム13から揺動の力が入力されると、減速機11Dが旋回され、減速機11Dの旋回角度に応じた信号が回転角度検出手段11Sから出力される。
The
●[電動モータ31、ブラケット32、動力伝達部(32P、32B)、下腿揺動アーム33、下腿中継アーム34、下腿アーム35、足先保持部36、下腿装着部39等にて構成された下腿揺動部(図1〜図4)]
下腿揺動アーム33は、駆動軸部材6が挿通される貫通孔33Hが形成されている。駆動軸部材6が貫通孔33Hに挿通されると、下腿揺動アーム33は、駆動軸部材6回りに揺動自在に支持される。そして下腿揺動アーム33にはベルト32Bがかけられ、電動モータ31と、プーリ32P及びベルト32Bにて構成された動力伝達部から動力が伝達されて駆動軸部材6回りに揺動する。
● [Lower leg composed of
The lower
下腿中継アーム34は、上方端が下腿揺動アーム33の先端に揺動自在に接続され、下方端が下腿アーム35の上方端の側の平行リンク形成部35Mの端部に揺動自在に接続されている。なお、下腿中継アーム34の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、大腿揺動アーム13の調整された長さに応じて、下腿中継アーム34の長さは調節される。
The upper end of the lower
下腿アーム35は、略逆L字状であり、L字の屈曲部に相当する位置に、大腿揺動アーム13の下端のリンク孔13Lと接続するためのリンク孔35Lが形成されている。従って下腿アーム35は、上方端の側の平行リンク形成部35Mの一方端が下腿中継アーム34の下方端に揺動自在に接続され、平行リンク形成部35Mの他方端が大腿揺動アーム13の下方端に揺動自在に接続されている。また下腿アーム35の下方端には、足先保持部36の上方端が揺動自在に接続されている。なお、下腿アーム35の下方に延びる長さはユーザの下腿に合うように調整可能に構成されている。また、足先保持部36は、略L字状であり、下端部がユーザの足の裏に配置される。また下腿アーム35には、下腿装着部39が取り付けられ、下腿装着部39は、ユーザの下腿(ふくらはぎの周囲)にあてがわれ、ユーザの下腿部へ下腿アーム35を装着することを容易にする。
The
ブラケット32は、ベース部2に対して、電動モータ31を固定するための部材であり、ベース部2に固定される。またブラケット32には、貫通孔32Hが形成されている。
The
電動モータ31は、先端に減速機31Dが取り付けられ、減速機31Dはブラケット32の貫通孔32Hに挿通される。また減速機31Dにはプーリ32Pが取り付けられ、プーリ32Pと下腿揺動アーム33にはベルト32Bがかけられる。また電動モータ31には、制御ユニット5に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ31は、プーリ32Pとベルト32Bを介して下腿揺動アーム33を、駆動軸部材6回りに前後方向に揺動させることができる(図4参照)。また電動モータ31には、エンコーダ等の回転角度検出手段31Sが設けられている。回転角度検出手段31Sは電動モータ31のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段31Sからの検出信号と減速機31Dの減速比とプーリ比とに基づいて、下腿揺動アーム33の回転角度を検出可能であり、下腿揺動アーム33の揺動角度を検出することが可能である。なお、電動モータ31は空回り可能なモータであり、通電していない場合に下腿揺動アーム33から揺動の力が入力されると、減速機31Dが旋回され、減速機31Dの旋回角度に応じた信号が回転角度検出手段31Sから出力される。
The
次に図4を用いて、大腿揺動アーム13を装着したユーザの大腿部UL1の揺動支援と、下腿アーム35を装着したユーザの下腿部UL2の揺動支援の動作を説明する。大腿揺動アーム13は、電動モータ11の動力によって駆動軸部材6回りに揺動運動する。同様に下腿揺動アーム33は、電動モータ31の動力によって駆動軸部材6回りに揺動運動する。また、大腿揺動アーム13と下腿揺動アーム33と下腿中継アーム34と(下腿アーム35の)平行リンク形成部35Mは、平行四辺形からなる平行リンクを構成している。従って、下腿中継アーム34と下腿アーム35は、大腿揺動アーム13と下腿揺動アーム33とに接続されて、大腿揺動アーム13の揺動角度(図4中の角度θ1)と下腿揺動アーム33の揺動角度(図4中の角度θ1−θ2)とに基づいて動作する揺動リンク部材に相当している。なお、図4において実線にて示す大腿揺動アーム13、下腿揺動アーム33、下腿中継アーム34、下腿アーム35、の位置を、各アームの初期位置(ユーザが直立状態で静止した位置)とする。
Next, with reference to FIG. 4, the swing support operation of the user's thigh UL1 wearing the
大腿揺動アーム13を、大腿揺動アーム13の初期位置から角度θ1にて前方に揺動させると、図4に示すように、ユーザの大腿部UL1を角度θ1にて前方に振り出すことができる。同時に、下腿揺動アーム33を、下腿揺動アーム33の初期位置から角度(θ1―θ2)にて前方に揺動させると、図4に示すように、大腿揺動アーム13に対して角度θ2の傾斜を有するように、ユーザの下腿部UL2を前方に振り出すことができる。電動モータ11による大腿揺動アーム13の揺動運動と、電動モータ31による下腿揺動アーム33の揺動運動を、それぞれ独立して制御することができるので、角度θ1、角度θ2を、ユーザの所望する角度に合わせて自由に調整することができる。また、この構成によれば、大きなトルクが必要である大腿部の振り出しを、電動モータ11と電動モータ31の双方のトルクで行うことができるので、大型のモータを必要としない。
When the
また、大腿揺動アーム13を揺動運動させると、揺動運動のエネルギーを、ゼンマイバネ24に蓄え、反対方向への揺動運動に利用する。つまり、大腿揺動アーム13を前方に振り出した際のエネルギーをゼンマイバネ24に蓄えて大腿揺動アーム13を後方に振り出す際に利用し、大腿揺動アーム13を後方に振り出した際のエネルギーをゼンマイバネ24に蓄えて大腿揺動アーム13を前方に振り出す際に利用する。次に、ゼンマイバネ24を含む剛性調整部について説明する。
Further, when the
●[電動モータ21、ブラケット22、バネ固定部材23、ゼンマイバネ24、変速機25等にて構成された剛性調整部(図1〜図3、図5〜図7)]
ブラケット22は、ベース部2に対して、電動モータ21を固定する部材であり、電動モータ21の回転軸を挿通するための貫通孔22Hが設けられて、ベース部2に固定される。また、図1、図6に示すように、大腿揺動アーム13の円板部13Gの貫通孔13H、プーリ15のプーリ軸部材15J、変速機25のシャフト25A、ゼンマイバネ24の中心軸、バネ固定部材23の貫通孔23H、ブラケット22の貫通孔22H、電動モータ21の減速機21D、は駆動軸6Jと同軸に配置されている。
● [Rigidity adjustment unit composed of
The
変速機25は、図5に示すように、大腿揺動アーム13の円板部13Gに固定されたプーリ15のプーリ軸部材15Jが入力部25Cに接続されており、予め設定された変速比[n]に基づいて、入力部25Cへの入力旋回角度θをn倍した出力旋回角度nθをシャフト25Aの旋回角度として出力する。従って、変速機25は、図7に示すように、大腿揺動アーム13が第1揺動角度(θf)で揺動すると、所定の変速比(n)で変速した変速後揺動角度(nθf)で揺動するシャフト25Aを有している。またシャフト25Aには、図5に示すように、ゼンマイバネ24の自由端24Bの側を固定するための駆動軸6J方向に延びる溝であるバネ自由端挿通溝25Bが形成されている。なお変速機25は、ゼンマイバネ24からの付勢トルクによってシャフト25Aが旋回角度θbだけ旋回されると、プーリ軸部材15Jを旋回角度θb・(1/n)だけ旋回させる。
As shown in FIG. 5, in the
ゼンマイバネ24は、所定の軸回りに螺旋状にバネ材等の弾性体が巻回されており、図5に示すように、巻回の中心部近傍に位置している端部である一方端を自由端24B、巻回の中心部から離れた位置に位置している端部である他方端を固定端24Aとしている。なお、図5において、自由端24Bはシャフト25Aのバネ自由端挿通溝25Bに固定され、固定端24Aはバネ固定部材23のバネ支持体23Jに固定される。
The
バネ固定部材23には、電動モータ21の先端部の減速機21Dが挿通される貫通孔23Hが形成されて減速機21Dにて支持され、ブラケット22及び電動モータ21にてベース部2に対して固定されている。またバネ固定部材23のゼンマイバネ24に対向する面には、ゼンマイバネ24の固定端24Aを支持するバネ支持体23Jが、駆動軸6Jから離れた位置に設けられている。例えばバネ支持体23Jは駆動軸6J方向に沿って延びる軸状部材であり、ゼンマイバネ24の固定端24Aの位置に形成された筒状部に挿通される。そしてバネ固定部材23は、電動モータ21にて駆動軸6J回りに旋回され、ゼンマイバネ24の固定端24Aの位置を周方向に可変とする。このようにバネ固定部材23は、駆動軸6J回りに旋回自在に支持されて、駆動軸6J回りに所定旋回角度で旋回されることで、駆動軸6Jに対するバネ支持体23Jの位置を、駆動軸6J回りに所定旋回角度分だけ周方向に移動させる。
The
電動モータ21は、先端に減速機21Dが取り付けられている。そして、減速機21Dはブラケット22の貫通孔22Hに挿通され、電動モータ21はブラケット22に固定され、ブラケット22はベース部2に固定されている。また電動モータ21には、制御ユニット5に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ21は、ブラケット22(すなわちベース部2)に対して駆動軸6J回りにバネ固定部材23を旋回させ、ゼンマイバネ24の固定端24Aの位置を周方向に移動させることができる。また電動モータ21には、エンコーダ等の回転角度検出手段21Sが設けられている。回転角度検出手段21Sは電動モータ21のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段21Sからの検出信号と減速機21Dの減速比に基づいて、減速機21Dの回転角度を検出可能であり、バネ固定部材23の旋回角度を検出することが可能である。なお、ブラケット22に、ブラケット22に対するバネ固定部材23の旋回角度を検出する角度検出手段(角度センサ)を設けるようにしてもよい。また、電動モータ21は空回りしないモータであり、減速機21Dの旋回角度位置は、通電していない場合であっても維持され、ゼンマイバネ24に付勢トルクが発生した場合であっても固定端24Aの位置は維持される。
The
●[ゼンマイバネ24の固定端24Aの位置と、オフセット角度θs(図8〜図11)]
図8は、図3に示すユーザT(利用者)が直立状態であり、大腿揺動アーム13の揺動角度がゼロの場合の例であって、ゼンマイバネ24の付勢トルクがゼロの場合の例を示している。そして図8の例におけるゼンマイバネ24の固定端24Aの位置では、自由端24Bには、駆動軸6J回りの時計回り方向の付勢トルクも、駆動軸6J回りの『反』時計回り方向の付勢トルクも、発生していない状態の例を示している。そして図8に示す基準線J1は、大腿揺動アーム13の揺動角度がゼロの際に、自由端24Bに付勢トルクが発生しないように固定端24Aの位置を調整した場合(バネ固定部材23の旋回角度を調整した場合)において、駆動軸6Jとバネ自由端挿通溝25Bとを通る仮想直線であり、シャフト25Aの基準旋回角度位置を示している。また、この図8の例に示す固定端24A(バネ支持体23J)の位置を、ゼンマイバネ24の固定端24A(バネ支持体23J)の基準位置とする。
[The position of the
FIG. 8 is an example in the case where the user T (user) shown in FIG. 3 is in the upright state and the swing angle of the
また図9は、図8に示した状態から、電動モータ21を駆動させ、ゼンマイバネ24の固定端24Aの位置を、上記の基準位置から時計回り方向に旋回角度(θs)だけ周方向に移動した位置へと変更した状態を示している。この状態を、「ゼンマイバネ24に、時計回り方向のオフセット角度θsを付与した状態」とする。この状態では、ユーザTが直立状態で大腿揺動アーム13の揺動角度がゼロであっても、時計回り方向のオフセット角度θsによってシャフト25Aにゼンマイバネ24の付勢トルクが働き、シャフト25Aから変速機25とプーリ15を介して大腿揺動アーム13に付勢トルクが働いている。
In FIG. 9, the
また図10は、図9に示した「時計回り方向のオフセット角度θs」を付与している状態において、大腿揺動アーム13を時計回り方向に揺動角度θfで揺動させた場合の例を示している。変速機25の変速比を[n]とした場合、大腿揺動アーム13が時計回り方向に揺動角度θfで揺動すると、変速機25のシャフト25Aは時計回り方向に揺動角度nθfで揺動する。すなわち、図10に示す例では、ゼンマイバネ24には、揺動角度nθfからオフセット角度θsだけ減算した角度(nθf−θs)に応じた、『反』時計回り方向の付勢トルクが発生していることになる。
FIG. 10 shows an example in which the
また図11は、図9に示した「時計回り方向のオフセット角度θs」を付与している状態において、大腿揺動アーム13を『反』時計回り方向に揺動角度θrで揺動させた場合の例を示している。変速機25の変速比を[n]とした場合、大腿揺動アーム13が『反』時計回り方向に揺動角度θrで揺動すると、変速機25のシャフト25Aは『反』時計回り方向に揺動角度nθrで揺動する。すなわち、図11に示す例では、ゼンマイバネ24には、揺動角度nθrとオフセット角度θsを加算した角度(nθr+θs)に応じた、時計回り方向の付勢トルクが発生していることになる。
11 shows the case where the
●[制御手段の入出力(図12)]
次に図12を用いて、制御手段50の入出力について説明する。制御ユニット5には、制御手段50及びバッテリ60が収容されている。また制御ユニット5は、起動スイッチ54、入出力手段であるタッチパネル55、バッテリ60への充電用コネクタ61等が設けられている。また制御手段50(制御装置)は、CPU50A、モータドライバ51、52、53等を有している。なお、制御手段50の処理を実行させるためのプログラムや各種の計測結果等を記憶する記憶装置も備えているが、図示省略する。
● [Input / output of control means (Fig. 12)]
Next, input and output of the control means 50 will be described with reference to FIG. The
制御手段50は、後述するように、大腿揺動アーム13を揺動運動させるための目標揺動周期や目標揺動角度を求め、モータドライバ51を介して駆動信号を電動モータ11に出力する。電動モータ11は制御手段50からの駆動信号に基づいて減速機11Dを揺動させ、プーリ14とベルト14Bとプーリ15を介して、大腿揺動アーム13を所定周期で所定角度にて揺動運動させる。また電動モータ11のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段11Sにて検出され、検出信号はモータドライバ51に入力されるとともにモータドライバ51を介してCPU50Aに入力される。CPU50Aは、回転角度検出手段11Sからの検出信号に基づいた大腿揺動アーム13の実際の揺動周期と実際の揺動角度が、目標揺動周期及び目標揺動角度に近づくようにフィードバック制御する。
As will be described later, the control means 50 obtains a target swing period and a target swing angle for swinging the
また制御手段50は、後述するように、大腿揺動アーム13から見たゼンマイバネ24の見かけ上バネ定数が最適な値となるバネ固定部材23の旋回角度である目標剛性調整角度を求め、モータドライバ52を介して駆動信号を電動モータ21に出力する。電動モータ21は制御手段50からの駆動信号に基づいて減速機21Dを介してバネ固定部材23を旋回させる。また電動モータ21のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段21Sにて検出され、検出信号はモータドライバ52に入力されるとともにモータドライバ52を介してCPU50Aに入力される。CPU50Aは、回転角度検出手段21Sからの検出信号に基づいた実際のバネ固定部材23の旋回角度が、目標剛性調整角度に近づくようにフィードバック制御する。
Further, as will be described later, the control means 50 obtains a target stiffness adjustment angle that is a turning angle of the
制御手段50は、後述するように、下腿揺動アーム33を揺動運動させるための目標揺動周期や目標揺動角度を求め、モータドライバ53を介して駆動信号を電動モータ31に出力する。電動モータ31は制御手段50からの駆動信号に基づいて減速機31D及びプーリ32Pとベルト32Bを介して下腿揺動アーム33を所定周期で所定角度にて揺動運動させる。また電動モータ31のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段31Sにて検出され、検出信号はモータドライバ53に入力されるとともにモータドライバ53を介してCPU50Aに入力される。CPU50Aは、回転角度検出手段31Sからの検出信号に基づいた下腿揺動アーム33の実際の揺動周期と実際の揺動角度が、目標揺動周期及び目標揺動角度に近づくようにフィードバック制御する。
As will be described later, the control means 50 obtains a target swing period and a target swing angle for swinging the lower
起動スイッチ54は、制御手段50を起動するためのスイッチである。またタッチパネル55は、ユーザの身長や体重等の入力や、設定状態の表示等を行うための装置である。また充電用コネクタ61は、バッテリ60を充電する際に、充電用ケーブルが接続されるコネクタである。
The
●[制御手段の処理手順(図13)]
次に図13に示すフローチャートを用いて、制御手段50の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動ボタンを操作すると(ステップS10)、制御手段はステップS15に進む。
[Process procedure of control means (FIG. 13)]
Next, the processing procedure of the control means 50 is demonstrated using the flowchart shown in FIG. When the user operates the start button of the control unit (step S10), the control means proceeds to step S15.
ステップS15にて制御手段は、タッチパネルからのユーザの初期設定入力を待つ。ユーザからの身長と体重の入力を確認すると、制御手段はステップS20に進む。なお制御手段は、所定時間が経過してもユーザからの入力が確認されない場合、例えば、予め設定された標準身長と標準体重を設定してステップS20に進む。 In step S15, the control means waits for the user's initial setting input from the touch panel. After confirming the input of height and weight from the user, the control means proceeds to step S20. When the input from the user is not confirmed even after the predetermined time has elapsed, the control means, for example, sets a standard height and a standard weight set in advance, and proceeds to step S20.
ステップS20にて制御手段は、所定期間の間、電動モータ11、21、31に通電せず、ユーザの歩行状態(または走行状態)を計測し、計測時間に対応させて回転角度検出手段11S、31Sからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶する。電動モータ11、31のシャフトは、非通電時には空回りする構成とされている。なお電動モータ21のシャフトは、非通電時には空回りせずロックされる構成とされており、電動モータ21によるバネ固定部材23の旋回角度は、大腿揺動アーム13の揺動角度がゼロの際、ゼンマイバネ24に付勢トルクが発生しない旋回角度となるように調整されている。そして制御手段は、例えば所定歩数あるいは所定時間の間、計測データを収集すると、ステップS25に進む。
In step S20, the control means measures the walking state (or running state) of the user without energizing the
ステップS25にて制御手段は、回転角度検出手段11Sからの検出信号に基づいた計測データから、大腿揺動アームの揺動角度(揺動振幅)や、大腿揺動アームの角速度及び角加速度から歩行周期(揺動周期)を算出する。また同様に制御手段は、回転角度検出手段31Sからの検出信号に基づいた計測データから、下腿揺動アームの揺動角度(揺動振幅)や、下腿揺動アームの角速度及び角加速度から歩行周期(揺動周期)を算出する。そして制御手段はステップS30に進む。 In step S25, the control means walks from the measurement data based on the detection signal from the rotation angle detection means 11S based on the swing angle (swing amplitude) of the thigh swing arm, the angular velocity and the angular acceleration of the thigh swing arm. Calculate the cycle (swing cycle). Similarly, the control means calculates the walking cycle from the measurement data based on the detection signal from the rotation angle detection means 31S, from the swing angle (swing amplitude) of the lower leg swing arm, the angular velocity and the angular acceleration of the lower leg swing arm. Calculate (oscillation cycle). Then, the control means proceeds to step S30.
ステップS30にて制御手段は、ステップS25にて算出した、大腿揺動アームの揺動角度、大腿揺動アームの揺動周期、ステップS15にて入力されたユーザの身長及び体重等に基づいて、最適関節剛性である目標剛性調整角度を算出し、ステップS35に進む。なお、目標剛性調整角度の具体的な算出方法については後述する。 In step S30, the control means, based on the swing angle of the thigh swing arm, the swing period of the thigh swing arm, the height and weight of the user input in step S15, etc., calculated in step S25, A target stiffness adjustment angle which is the optimum joint stiffness is calculated, and the process proceeds to step S35. A specific calculation method of the target stiffness adjustment angle will be described later.
ステップS35にて制御手段は、電動モータ21を制御してバネ固定部材23のオフセット角度を、ステップS30にて求めた目標剛性調整角度に設定し、ステップS40に進む。
In step S35, the control means controls the
ステップS40にて制御手段は、ステップS25にて算出した、大腿揺動アームの揺動角度、大腿揺動アームの揺動周期、下腿揺動アームの揺動角度、下腿揺動アームの揺動周期、バッテリの出力電圧等に基づいて、ユーザの大腿部のアシストパターン(電動モータ11への駆動信号の出力パターン等)と、ユーザの下腿部のアシストパターン(電動モータ31への駆動信号の出力パターン)とを算出し、ステップS45に進む。
In step S40, the control means calculates the swing angle of the thigh swing arm, the swing cycle of the thigh swing arm, the swing angle of the lower leg swing arm, the swing cycle of the lower leg swing arm calculated in step S25. The assist pattern of the user's thigh (output pattern of drive signal to the
ステップS45にて制御手段は、ステップS40にて算出したアシストパターンに基づいて、電動モータ11及び電動モータ31に駆動信号の出力を開始して、大腿揺動アーム13及び下腿揺動アーム33を揺動運動させ、ユーザの歩行動作(または走行動作)を継続するように、ユーザの歩行動作(または走行動作)を支援し、ステップS50に進む。なお、電動モータ11及び電動モータ31への駆動信号の出力は、他のステップに移行した場合も継続される。
In step S45, the control means starts outputting drive signals to the
ステップS50にて制御手段は、電動モータ11及び電動モータ31を動作させてユーザの歩行(または走行)の動作を支援しながら、ステップS20にて計測したように、計測時間に対応させて回転角度検出手段11S、31Sからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶し、ステップS55に進む。なお、計測データの収集は、他のステップに移行した場合も継続される。
In step S50, the control means operates the
ステップS55にて制御手段は、ステップS50にて収集した計測データに基づいて、ユーザが歩行動作(または走行動作)の支援の停止を所望しているか否かを判定し、支援の停止を所望していると判定した場合(Yes)は、電動モータ11及び電動モータ31への駆動信号の出力を停止して処理を終了し、支援の停止を所望していないと判定した場合(No)はステップS25に戻る。
In step S55, the control means determines whether or not the user desires to stop the support of the walking motion (or running motion) based on the measurement data collected in step S50, and desires the stop of the support. If it is determined that it is determined (Yes) that the output of the drive signal to the
●[目標剛性調整角度の算出方法(図10):大腿揺動アーム13の時計回り方向の揺動角度θfに対する目標剛性調整角度]
まず、図10を用いて、図13に示すフローチャートのステップS30にて行う目標剛性調整角度の算出手順について説明する。図10では、時計回り方向のオフセット角度がθs(『反』時計回り方向のオフセット角度は−θs)、大腿揺動アーム13が時計回り方向に揺動角度θfで揺動した場合の例を示しており、変速機25のシャフト25Aの時計回り方向の揺動角度がnθfである場合の例を示している(すなわち、変速機25の変速比を[n]としている)。また、変速機25の効率をηとし、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数をk1とし、バネ固定部材23の側から見たゼンマイバネ24のバネ定数をk(ゼンマイバネ24の、本来のバネ定数)とし、大腿揺動アーム13の揺動によって発生したトルクをτとすると、以下の式(1)が成立する。
τ=k1・θf=η・n・k(nθf−θs) 式(1)
[Method of calculating the target stiffness adjustment angle (FIG. 10): Target stiffness adjustment angle with respect to the pivot angle θf in the clockwise direction of the thigh pivot arm 13]
First, the calculation procedure of the target stiffness adjustment angle performed in step S30 of the flowchart shown in FIG. 13 will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows an example in which the offset angle in the clockwise direction is θs (the offset angle in the “non-clockwise” direction is −θs), and the
τ = k1 · θf = η · n · k (nθf−θs) Formula (1)
上記の式(1)を整理すると、以下の式(2)にて、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数k1を求めることができる。また式(2)を整理して式(3)を得ることができる。
k1=η・n2・k[1−θs/(n・θf)] 式(2)
θs=n・θf[1−k1/(η・n2・k)] 式(3)
If the above equation (1) is organized, the apparent spring constant k1 of the
k1 = η · n 2 · k [1-θs / (n · θf)] (2)
θs = n · θf [1−k1 / ((· n 2 · k)] equation (3)
以上の式(2)より、例えば、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数k1をゼロにしたい場合は、オフセット角度θs=n・θfとすればよいことがわかる。また例えば、オフセット角度θsをゼロとした場合は、式(2)より、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数k1は、k1=η・n2・kとなることがわかる。また例えば大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数k1=2・η・n2・kとしたい場合は、θs=−n・θfとすればよいことがわかる(図10の例に対して、バネ固定部材23を、基準線J1に対して『反』時計回り方向にn・θfだけ旋回させた状態とすればよい)。
From the above equation (2), for example, when it is desired to make the apparent spring constant k1 of the mainspring 24 seen from the
ここで、ユーザの歩行周波数(大腿揺動アームの揺動周波数)をf、その場合の角周波数(角速度)をωとすると、以下の式(4)が成立する。歩行周波数fは、計測したユーザの歩行(または走行)の周期から求めることができる。従って、下記の式(4)のωの値を求めることができる。
ω=2・π・f 式(4)
Here, when the user's walking frequency (swing frequency of the thigh swing arm) is f and the angular frequency (angular velocity) in that case is ω, the following expression (4) is established. The walking frequency f can be obtained from the measured period of walking (or running) of the user. Therefore, the value of ω in the following equation (4) can be obtained.
ω = 2 · π · f Equation (4)
また、上記のように、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数をk1とする。また、ユーザの下肢と大腿揺動アーム13等とを含む駆動軸6J回りの慣性モーメントをIとする。例えば、慣性モーメントIは、駆動軸6J回りに揺動する各部材の合計質量(既知)と、当該合計質量の重心の位置(駆動軸6Jからの距離であって、既知)と、ユーザの体重及び身長から推定した下肢の質量と重心の位置(駆動軸6Jからの距離であって、既知)とから、求めることが可能であり、以下の式(5)、式(6)が成立する。上記よりωの値がわかっており、慣性モーメントIもわかっているので、下記の式(6)から、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上バネ定数k1を求めることができる。
ω=√(k1/I) 式(5)
k1=I・ω2 式(6)
Further, as described above, the apparent spring constant of the mainspring 24 viewed from the
ω = √ (k1 / I) Formula (5)
k1 = I · ω 2 formula (6)
また、大腿揺動アーム13の運動方程式は、一般的に、関節軸(駆動軸6J)まわりの粘性係数をρとすると、以下の式(7)のように表される。なお、式(7)では、上記のτ、I、k1を用い、揺動角度をθとしている。
大腿部の揺動は、ほぼ正弦波とみなせるので、θ=A・sinωtとして上記の式(7)に代入すると、以下の式(7A)を得ることができる。
τ=−A・I・ω2・sinωt+A・ρ・ω・cosωt+A・k1・sinωt
=A(k1−I・ω2)・sinωt+A・ρ・ω・cosωt 式(7A)
Since the swing of the thigh can be regarded almost as a sine wave, the following formula (7A) can be obtained by substituting θ = A · sin ωt into the above formula (7).
τ = −A · I · ω 2 · sin ωt + A · ρ · ω · cos ωt + A · k1 · sin ωt
= A (k 1-I · ω 2 ) · sin ωt + A · ・ · ω · cos ωt Formula (7A)
上記の式(7A)において、k1=I・ω2、すなわち共振状態が成り立つとき、τを最小にできる。従って、トルクと角度変位の積となるエネルギーも最小化できる。
In the above equation (7A), τ can be minimized when
図10の例において、大腿揺動アーム13を時計回り方向に揺動角度θfで揺動させる際、電動モータ11の消費電力を最小にするオフセット角度θsが、目標剛性調整角度であり、上記の式(7)と式(2)から求められたオフセット角度θsが目標剛性調整角度である。また、上記の式(6)と式(2)から、角周波数ωと慣性モーメントIに応じたオフセット角度θs(ゼンマイバネの共振周波数と、揺動対象物の揺動周波数と、を一致させるオフセット角度θs)を求めることができる。
In the example of FIG. 10, when the
●[目標剛性調整角度の算出方法(図11):大腿揺動アーム13の『反』時計回り方向の揺動角度θrに対する目標剛性調整角度]
次に、図11を用いて、図13に示すフローチャートのステップS30にて行う目標剛性調整角度の算出手順について説明する。図11では、時計回り方向のオフセット角度がθs(『反』時計回り方向のオフセット角度は−θs)、大腿揺動アーム13が『反』時計回り方向に揺動角度θrで揺動した場合の例を示しており、変速機25のシャフト25Aの『反』時計回り方向の揺動角度がnθrである場合の例を示している(すなわち、変速機25の変速比を[n]としている)。また、変速機25の効率をηとし、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数をk2とし、バネ固定部材23の側から見たゼンマイバネ24のバネ定数をkとし、大腿揺動アーム13の揺動によって発生したトルクをτとすると、以下の式(8)が成立する。
τ=k2・θr=η・n・k(nθf+θs) 式(8)
[How to calculate the target stiffness adjustment angle (FIG. 11): Target stiffness adjustment angle with respect to the swing angle θr in the "anti-clockwise" direction of the thigh swing arm 13]
Next, the procedure for calculating the target stiffness adjustment angle performed in step S30 of the flowchart shown in FIG. 13 will be described with reference to FIG. In FIG. 11, the offset angle in the clockwise direction is θs (the offset angle in the “non-clockwise direction” is −θs), and the
τ =
上記の式(8)を整理すると、以下の式(9)にて、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数k2を求めることができる。また式(9)を整理して式(10)を得ることができる。
k2=η・n2・k[1+θs/(n・θr)] 式(9)
θs=−n・θr[1−k2/(η・n2・k)] 式(10)
If the above equation (8) is organized, the apparent spring constant k2 of the
k2 = ηn 2 · k [1 + θs / (n · θr)] equation (9)
θs = −n · θr [1-k2 / ((· n 2 · k)] equation (10)
以上の式(9)より、例えば、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数k2をゼロにしたい場合は、オフセット角度θs=−n・θrとすればよいことがわかる。また例えば、オフセット角度θsをゼロとした場合は、式(9)より、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数k2は、k2=η・n2・kとなることがわかる。また例えば大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数k2=2・η・n2・kとしたい場合は、θs=n・θrとすればよいことがわかる(図11の例に対して、バネ固定部材23を、基準線J1に対して時計回り方向にn・θrだけ旋回させた状態とすればよい)。
From the above equation (9), for example, when it is desired to make the apparent spring constant k2 of the mainspring 24 seen from the
ここで、ユーザの歩行周波数(大腿揺動アームの揺動周波数)をf、その場合の角周波数(角速度)をωとすると、上記の式(4)が成立する。また、上記のように、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上のバネ定数をk2として、ユーザの下肢と大腿揺動アーム13等とを含む駆動軸6J回りの慣性モーメントを、上記と同様にIとした場合、以下の式(11)、式(12)が成立する。上記よりωの値がわかっており、慣性モーメントIもわかっているので、下記の式(12)から、大腿揺動アーム13の側から見たゼンマイバネ24の見かけ上バネ定数k2を求めることができる。
ω=√(k2/I) 式(11)
k2=I・ω2 式(12)
Here, when the user's walking frequency (swing frequency of the thigh swing arm) is f and the angular frequency (angular velocity) in that case is ω, the above equation (4) is established. Further, as described above, the apparent spring constant of the mainspring 24 viewed from the side of the
ω = √ (
k2 = I · ω 2 formula (12)
また、大腿揺動アーム13の運動方程式は、一般的に、関節軸(駆動軸6J)まわりの粘性係数をρとすると、以下の式(13)のように表される。なお、式(13)では、上記のτ、I、k2を用い、揺動角度をθとしている。
大腿部の揺動は、ほぼ正弦波とみなせるので、θ=A・sinωtとして上記の式(13)に代入すると、以下の式(13A)を得ることができる。
τ=−A・I・ω2・sinωt+A・ρ・ω・cosωt+A・k2・sinωt
=A(k2−I・ω2)・sinωt+A・ρ・ω・cosωt 式(13A)
Since the swing of the thigh can be regarded almost as a sine wave, substituting into the above equation (13) as θ = A · sin ωt, the following equation (13A) can be obtained.
τ = −A · I · ω 2 · sin ωt + A · ρ · ω · cos ωt + A ·
= A (k 2 -I · ω 2 ) · sin ωt + A · ・ · ω · cos ωt Formula (13A)
上記の式(13A)において、k2=I・ω2、すなわち共振状態が成り立つとき、τを最小にできる。従って、トルクと角度変位の積となるエネルギーも最小化できる。 In the above equation (13A), τ can be minimized when k 2 = I · ω 2 , that is, when the resonance state is established. Therefore, the energy which is the product of torque and angular displacement can also be minimized.
図11の例において、大腿揺動アーム13を『反』時計回り方向に揺動角度θrで揺動させる際、電動モータ11の消費電力を最小にするオフセット角度θsが、目標剛性調整角度であり、上記の式(13)と式(9)から求められたオフセット角度θsが目標剛性調整角度である。また、上記の式(12)と式(9)から、角周波数ωと慣性モーメントIに応じたオフセット角度θs(ゼンマイバネの共振周波数と、揺動対象物の揺動周波数と、を一致させるオフセット角度θs)を求めることができる。
In the example of FIG. 11, when the
以上、図10及び図11を用いて説明したように、制御手段50を用いて、駆動軸部材6回りの大腿揺動アーム13の揺動周波数(f)と、大腿揺動アーム13を含む揺動対象物(ユーザの下肢と大腿揺動アーム13とを含み、駆動軸6J回りに揺動する全ての物体)における駆動軸部材6回りの慣性モーメント(I)と、ゼンマイバネ24のバネ定数(k)と、ゼンマイバネ24のオフセット角度(θs)と、大腿揺動アーム13の時計回り方向の揺動角度(θf)または大腿揺動アーム13の『反』時計回り方向の揺動角度(θr)と、に基づいて、ゼンマイバネ24の共振角周波数(ω)が、揺動対象物の揺動の周波数と一致するように剛性調整角度(時計回り方向のオフセット角度θs)を調整する。
As described above with reference to FIG. 10 and FIG. 11, using the control means 50, the rocking frequency (f) of the
このように、ゼンマイバネ24と慣性モーメントIの共振角周波数(ω)が、大腿揺動アーム13を含む揺動対象物(駆動軸部材6回りに揺動する物体全体)の揺動の周波数と一致するように、剛性調整角度(時計回り方向のオフセット角度θs)を設定することで、電動モータ11にて消費する電力を最小とすることができる。なお、剛性調整角度を上記の式から求めることなく、微小角度だけ剛性調整角度を変更して当該剛性調整角度における所定周期分の電動モータ11の消費電力を計測した後、再度微小角度だけ剛性調整角度を変更して所定周期分の電動モータ11の消費電力を計測することを繰り返し、最も消費電力が少ない剛性調整角度を求めるようにしてもよい。また、変速機25を設けて大腿揺動アーム13の揺動角度を増幅してゼンマイバネ24に増幅した揺動角度を入力することで、バネ定数が比較的小さな小型のゼンマイバネを用いることが可能である。また、電動モータ21も、より小さなトルクの小型の電動モータを用いることが可能である。
Thus, the resonant angular frequency (ω) of the
以上に説明した第1の実施の形態の揺動関節装置1は、ユーザの左脚用であるが、右脚用のベース部(ベース部2の左右対称版)、右脚用の大腿揺動部(符号11、12、14、14B、15、13、19等にて示した各部材の左右対称版)、右脚用の剛性調整部(符号21、22、23、24、25等にて示した各部材の左右対称版)、右脚用の下腿揺動部(符号31、32、32P、32B、33、34、35、36、39等にて示した各部材の左右対称版)を追加して、制御ユニット5からユーザの両脚の歩行動作(または走行動作)を支援するようにしてもよい。
The swing
●●[第2の実施の形態の揺動関節装置]
第2の実施の形態の揺動関節装置は、図1〜図4に示す第1の実施の形態の揺動関節装置1から電動モータ11(及び回転角度検出手段11S)、ブラケット12、プーリ14、ベルト14Bを省略し、大腿揺動アーム13の揺動角度を検出可能な回転角度検出手段を追加したものである。この第2の実施の形態では、ユーザの歩行(または走行)における大腿部の運動を電動モータで支援することはできないが、下腿部の運動を電動モータ31にて支援することができる。また、符号21、22、23、24、25等にて示した剛性調整部を有しているので、常に共振状態になるように剛性調整角度(時計回り方向のオフセット角度θs)を適切な角度とすることで、ユーザの大腿部の運動量を適切に軽減させることができる。
● ● [Swaying joint device of the second embodiment]
The rocking joint device of the second embodiment includes the rocking
また、第1の実施の形態と同様に、右脚用のベース部(ベース部2の左右対称版)、右脚用の大腿揺動部(符号13、19等にて示した各部材の左右対称版)、右脚用の剛性調整部(符号21、22、23、24、25等にて示した各部材の左右対称版)、右脚用の下腿揺動部(符号31、32、32P、32B、33、34、35、36、39等にて示した各部材の左右対称版)を追加して、制御ユニット5からユーザの両脚の歩行動作(または走行動作)を支援するようにしてもよい。
Further, as in the first embodiment, the right leg base portion (a symmetrical version of the base portion 2) and the right leg thigh rocking portion (
●●[第3の実施の形態の揺動関節装置]
第3の実施の形態の揺動関節装置は、図1〜図4に示す第1の実施の形態の揺動関節装置1から、電動モータ31、ブラケット32、プーリ32P、ベルト32B、下腿揺動アーム33、下腿中継アーム34、下腿アーム35、足先保持部36、下腿装着部39を省略したものである。この第3の実施の形態では、ユーザの歩行(または走行)における大腿部の運動を電動モータ11にて支援し、下腿部の運動は支援しない。なお、符号21、22、23、24、25等にて示した剛性調整部を有しているので、常に共振状態になるように剛性調整角度(時計回り方向のオフセット角度θs)を適切な角度とすることで、電動モータ11の消費電力を、より低減することができる。
● ● [Swaying joint device of the third embodiment]
The rocking joint device according to the third embodiment includes the
また、第1の実施の形態と同様に、右脚用のベース部(ベース部2の左右対称版)、右脚用の大腿揺動部(符号11、12、14、14B、15、13、19等にて示した各部材の左右対称版)、右脚用の剛性調整部(符号21、22、23、24、25等にて示した各部材の左右対称版)を追加して、制御ユニット5からユーザの両脚の歩行動作(または走行動作)を支援するようにしてもよい。
Further, as in the first embodiment, a base portion for the right leg (a symmetrical version of the base portion 2), a thigh rocking portion for the right leg (
●●[第4の実施の形態の揺動関節装置]
第4の実施の形態の揺動関節装置は、第3の実施の形態の揺動関節装置から電動モータ11(及び回転角度検出手段11S)、ブラケット12、プーリ14、ベルト14Bを省略し、大腿揺動アーム13の揺動角度を検出可能な回転角度検出手段を追加したものである。この第4の実施の形態では、ユーザの歩行(または走行)における下腿部の運動の支援をすることはできない。またユーザの大腿部の運動を電動モータで支援することもできない。しかし、符号21、22、23、24、25等にて示した剛性調整部を有しているので、常に共振状態になるように剛性調整角度(時計回り方向のオフセット角度θs)を適切な角度とすることで、ユーザの大腿部の運動量を適切に軽減させることができる。
● ● [Swaying joint device of the fourth embodiment]
The swing joint apparatus according to the fourth embodiment omits the electric motor 11 (and the rotation angle detection means 11S), the
また、第1の実施の形態と同様に、右脚用のベース部(ベース部2の左右対称版)、右脚用の大腿揺動部(符号13、19等にて示した各部材の左右対称版)、右脚用の剛性調整部(符号21、22、23、24、25等にて示した各部材の左右対称版)を追加して、制御ユニット5からユーザの両脚の歩行動作(または走行動作)を支援するようにしてもよい。
Further, as in the first embodiment, the right leg base portion (a symmetrical version of the base portion 2), the right leg thigh swinging portion (the left and right sides of the members indicated by
本発明の脚力支援装置の構造、構成、形状、外観等は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。 Various changes, additions, and deletions can be made to the structure, configuration, shape, appearance, and the like of the leg strength support device of the present invention without departing from the scope of the present invention.
本実施の形態にて説明した脚力支援装置の用途は、ユーザの下肢の揺動運動(歩行や走行)を支援する用途に限定されず、周期的な揺動運動をする種々の対象物に適用可能である。 The use of the leg support device described in the present embodiment is not limited to the use for supporting the swing motion (walking and running) of the user's lower limbs, but is applicable to various objects that perform periodic swing motion. It is possible.
本実施の形態では、電動モータ11、電動モータ31の揺動回転運動を、プーリとベルトで大腿揺動アーム13、下腿揺動アーム33に伝達したが、プーリとベルトに限定されず、ギアやリンク機構等を用いて伝達してもよい。
In the present embodiment, the swinging and rotating motions of the
また本実施の形態の説明では、大腿揺動アーム13(プーリ15)とゼンマイバネ24との間に変速機25を設けて、大腿揺動アーム13(プーリ15)にゼンマイバネ24を間接的に接続した例を説明したが、変速機25を省略して、大腿揺動アーム13(プーリ15)とゼンマイバネ24とを直接的に接続してもよい。
Further, in the description of the present embodiment, the
1 揺動関節装置(脚力支援装置)
2 ベース部(腰側装着部)
3 腰装着部
4 肩ベルト
5 制御ユニット
6 駆動軸部材
6J 駆動軸
11 電動モータ(第1駆動手段)
11D、21D、31D 減速機
11S 回転角度検出手段(第1角度検出手段)
12 ブラケット
13 大腿揺動アーム(第1揺動アーム)
13G 円板部
14、15 プーリ
14B ベルト
15J プーリ軸部材
19 大腿装着部
21 電動モータ(剛性調整旋回手段)
21S 回転角度検出手段
22 ブラケット
23 バネ固定部材
23J バネ支持体
24 ゼンマイバネ
24A 固定端
24B 自由端
25 変速機
25A シャフト(バネ入力軸部材)
25B バネ自由端挿通溝
31 電動モータ(第2駆動手段)
31S 回転角度検出手段(第2角度検出手段)
32 ブラケット
32B ベルト
32P プーリ
33 下腿揺動アーム(第2揺動アーム)
34 下腿中継アーム
35 下腿アーム
35M 平行リンク形成部
39 下腿装着部
50 制御手段
J1 基準線
θf 揺動角度(大腿揺動アームの時計回り方向の揺動角度)
θr 揺動角度(大腿揺動アームの『反』時計回り方向の揺動角度)
θs オフセット角度(剛性調整角度)
1 Swing joint device (leg supporting device)
2 Base part (waist side wearing part)
DESCRIPTION OF
11D, 21D,
12
21S Rotation angle detection means 22
25B Spring free
31S Rotation angle detection means (second angle detection means)
32
34 Lower
θr Swing angle (swing angle in the 'anti' clockwise direction of the thigh swing arm)
θs Offset angle (Rigidity adjustment angle)
Claims (6)
前記利用者の腰側部に装着される腰側装着部と、
前記利用者の大腿の側方に配置された第1揺動アームであって、上部に当該第1揺動アームの揺動の軸となる凹形状あるいは凸形状が形成された長手状の前記第1揺動アームと、
前記第1揺動アームの揺動角度である第1揺動角度を検出する第1角度検出手段と、
前記第1揺動アームに取り付けられて前記利用者の大腿にあてがわれる大腿装着部と、
前記第1揺動アームの前記揺動の軸となる凹形状あるいは凸形状を支持する駆動軸部材であって、前記腰側装着部に対して前記第1揺動アームを前記利用者の前後方向に揺動自在に支持する前記駆動軸部材と、
前記駆動軸部材の軸である駆動軸回りに揺動する前記第1揺動アームを揺動させるために必要とする力である剛性を可変とする剛性可変手段と、
前記剛性可変手段を制御することで、前記駆動軸回りに揺動する前記第1揺動アームにおける前記剛性を制御する制御手段と、を備え、
前記剛性可変手段は、ゼンマイバネと、バネ固定部材と、剛性調整旋回手段と、にて構成され、
前記ゼンマイバネと前記バネ固定部材と前記剛性調整旋回手段は、前記駆動軸と同軸となるように配置されており、
前記ゼンマイバネに隣接する位置には、前記ゼンマイバネの固定端を支持する前記バネ固定部材が配置されており、
前記ゼンマイバネの一方端である自由端は、前記第1揺動アームの揺動角度である前記第1揺動角度に応じた角度で揺動するバネ入力軸部材に接続されており、
前記ゼンマイバネの他方端である前記固定端は、前記バネ固定部材における前記駆動軸から離れた位置に設けられたバネ支持体に接続されており、
前記制御手段は、前記第1角度検出手段にて検出した前記第1揺動角度に基づいて、前記第1揺動アームから見た前記ゼンマイバネの見かけ上バネ定数が最適な値となる前記バネ固定部材の旋回角度である目標剛性調整角度を求め、実際の前記バネ固定部材の旋回角度が前記目標剛性調整角度に近づくように、前記剛性調整旋回手段に剛性調整用制御信号を出力し、
前記剛性調整旋回手段は、前記制御手段からの前記剛性調整用制御信号に基づいて、前記バネ固定部材を前記駆動軸回りに旋回させて、前記ゼンマイバネの前記固定端の位置を移動させることで、前記剛性を調整する、
脚力支援装置。 A leg strength support device that provides assisting power to the movement of the user's lower limbs,
A waist-side mounting portion to be mounted on the user's waist side;
A first swing arm disposed on the side of the user's thigh, wherein the first swing arm has a concave shape or a convex shape, which is an axis of swing of the first swing arm. 1 Swing arm,
First angle detecting means for detecting a first swing angle that is a swing angle of the first swing arm;
A thigh attachment portion attached to the first swing arm and applied to the user's thigh;
A drive shaft member that supports a concave shape or a convex shape as the swing axis of the first swing arm, wherein the first swing arm is placed in the front-rear direction of the user with respect to the waist-side mounting portion. The drive shaft member swingably supported on the
Stiffness varying means for varying the stiffness, which is a force required to swing the first swing arm swinging around the drive shaft that is the shaft of the drive shaft member;
Control means for controlling the rigidity of the first swinging arm swinging about the drive shaft by controlling the rigidity changing means;
The rigidity variable means is constituted by a spring-loaded spring, a spring fixing member, and a rigidity adjustment turning means.
The mainspring spring, the spring fixing member, and the rigidity adjusting turning means are arranged so as to be coaxial with the drive shaft,
Wherein a position adjacent to the spiral spring, the spring fixing member is arranged to support the fixed end of the spiral spring,
One free end is an end of said spiral spring is connected to the spring input shaft member which swings at an angle corresponding to the first swinging angle a swing angle of the first swing arm,
The fixed end, which is the other end of the spring, is connected to a spring support provided at a position away from the drive shaft in the spring fixing member,
The control means is configured to fix the spring on which the apparent spring constant of the spiral spring viewed from the first swing arm is an optimum value based on the first swing angle detected by the first angle detection means. A target stiffness adjustment angle that is a turning angle of the member is obtained, and a stiffness adjustment control signal is output to the stiffness adjustment turning means so that the actual turning angle of the spring fixing member approaches the target stiffness adjustment angle,
The rigidity adjustment turning means turns the spring fixing member around the drive shaft based on the rigidity adjustment control signal from the control means, and moves the position of the fixed end of the mainspring spring. Adjust the stiffness,
Leg support device.
前記第1揺動アームと前記ゼンマイバネとの間には変速機が設けられており、
前記変速機は、
入力部と、前記バネ入力軸部材と、を有し、
前記入力部が入力旋回角度にて旋回されると、予め設定された変速比に基づいた出力旋回角度にて前記バネ入力軸部材を旋回させ、
前記入力部が前記第1揺動角度にて旋回されると、前記変速比に基づいた前記出力旋回角度にて前記バネ入力軸部材を旋回させて、前記ゼンマイバネの前記自由端を旋回させる、
脚力支援装置。 The leg strength support device according to claim 1, wherein
A transmission is provided between the first swing arm and the spring-spring.
The transmission is
An input unit and the spring input shaft member;
When the input unit is turned at an input turning angle, the spring input shaft member is turned at an output turning angle based on a preset gear ratio,
When the input portion is turned at the first swing angle, the spring input shaft member is turned at the output turning angle based on the transmission ratio, and the free end of the mainspring spring is turned.
Leg support device.
前記制御手段は、前記第1角度検出手段にて検出した前記第1揺動角度に応じて、前記剛性調整旋回手段を制御して前記バネ固定部材の旋回角度を調整して、前記第1揺動アームから見た前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数を調整することで前記剛性を調整する、
脚力支援装置。 The foot support device according to claim 1 or 2 , wherein
The control means controls the rigidity adjusting and pivoting means to adjust the pivoting angle of the spring fixing member according to the first swinging angle detected by the first angle detecting means, thereby adjusting the first swing Adjusting the stiffness by adjusting the apparent spring constant of the spring as viewed from a moving arm,
Leg support device.
前記制御手段は、
前記駆動軸回りの前記第1揺動アームの揺動周波数及び前記第1揺動角度と、
前記第1揺動アームを含む揺動対象物における前記駆動軸回りの慣性モーメントと、
前記ゼンマイバネのバネ定数と、に基づいて、前記ゼンマイバネの共振周波数が、前記揺動対象物の前記揺動周波数と一致するように前記バネ固定部材の旋回角度を調整する、
脚力支援装置。 The leg strength support device according to claim 3, wherein
The control means
A swing frequency of the first swing arm around the drive shaft and the first swing angle;
A moment of inertia around the drive shaft in a swing object including the first swing arm;
The turning angle of the spring fixing member is adjusted based on the spring constant of the spring, so that the resonant frequency of the spring is matched with the swing frequency of the swing object.
Leg support device.
前記第1揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる第1駆動手段を有し、
前記制御手段は、前記利用者の歩行状態を計測して前記第1角度検出手段からの検出信号を第1計測データとして収集し、前記第1計測データに基づいて前記第1揺動アームの第1揺動振幅と第1揺動周期を算出し、算出した前記第1揺動振幅と前記第1揺動周期に近づくように、前記第1駆動手段に第1駆動手段用制御信号を出力し、
前記第1駆動手段は、前記制御手段からの前記第1駆動手段用制御信号に基づいて前記第1揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる、
脚力支援装置。 The leg force assisting device according to any one of claims 1 to 4,
A first drive unit configured to swing the first swing arm around the drive shaft;
The control means measures the walking state of the user, collects detection signals from the first angle detection means as first measurement data, and based on the first measurement data, sets the first swing arm of the first swing arm. (1) calculating a first swing amplitude and a first swing cycle, and outputting a control signal for the first drive means to the first drive means so as to approach the calculated first swing amplitude and the first swing cycle; ,
The first drive means swings the first swing arm around the drive shaft based on the control signal for the first drive from the control means .
Leg support device.
前記駆動軸回りに揺動自在に支持された第2揺動アームと、
前記第2揺動アームの揺動角度である第2揺動角度を検出する第2角度検出手段と、
前記第2揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる第2駆動手段と、
前記第1揺動アームと前記第2揺動アームとに接続されて前記第1揺動アームの前記第1揺動角度と前記第2揺動アームの前記第2揺動角度とに基づいて動作する揺動リンク部材と、
前記第2揺動アームに取り付けられて前記利用者の下腿にあてがわれる下腿装着部と、を有し、
前記制御手段は、前記利用者の歩行状態を計測して前記第2角度検出手段からの検出信号を第2計測データとして収集し、前記第2計測データに基づいて前記第2揺動アームの第2揺動振幅と第2揺動周期を算出し、算出した前記第2揺動振幅と前記第2揺動周期に近づくように、前記第2駆動手段に第2駆動手段用制御信号を出力し、
前記第2駆動手段は、前記制御手段からの前記第2駆動手段用制御信号に基づいて前記第2揺動アームを前記駆動軸回りに揺動させる、
脚力支援装置。
The leg force assisting device according to any one of claims 1 to 5,
A second swing arm swingably supported about the drive shaft;
Second angle detection means for detecting a second swing angle that is a swing angle of the second swing arm ;
Second drive means for swinging the second swing arm around the drive shaft;
It is connected to the first swing arm and the second swing arm, and operates based on the first swing angle of the first swing arm and the second swing angle of the second swing arm. A swinging link member,
A lower leg mounting portion attached to the second swing arm and applied to the lower leg of the user ;
The control means measures the walking state of the user, collects detection signals from the second angle detection means as second measurement data, and based on the second measurement data, sets the second swing arm second. (2) calculating the second swing amplitude and the second swing cycle, and outputting a control signal for the second drive means to the second drive means so as to approach the calculated second swing amplitude and the second swing cycle; ,
The second drive means swings the second swing arm around the drive shaft based on the second drive means control signal from the control means.
Leg support device.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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